3.2.1 Сети сбора информации интеллектуальных датчиков с hart – протоколом

Интеллектуальные датчики, реализующие передачу данных по HART протоколу, могут быть объединены в сеть. При этом в зависимости от особенностей передачи информации реализация сети может быть различной.

В случае режима передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом структура объединения интеллектуальных датчиков в сеть реализуется на основе распределенной системы, каждая из ветвей которой имеет следующий вид (рисунок 3.9):

Рисунок 3.9 – Структура подключения интеллектуальных датчиков в режиме одновременной передачи цифровой информации и аналогового сигнала

Реализация подобной сети позволяет осуществить настройку и конфигурирование датчиков, удаленных на расстоянии до 3000 м.

В многоточечном режиме работы датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. При этом аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении 4 mA (только для питания устройства) и не содержит информацию об измеряемой величине. Измерительная информация передается по HART – протоколу. При этом возникает возможность подключения к одной паре проводов до 15 датчиков.

Структура сети в этом случае имеет следующий вид (рисунок 3.10):

Рисунок 3.10 – Структура объединения датчиков в сеть при многоточечном режиме работы

Конкретное количество датчиков в сети определяется длиной и качеством линии связи, а также мощностью блока питания датчиков. Каждый из датчиков имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, которые используются для обращения к соответствующему датчику. HART – коммуникатор или ПЭВМ определяют все датчики и могут работать с любым из них.

Существует возможность построения более разветвленной сети для использования в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП).

Такая сеть строится с использованием HART – мультиплексоров. При этом датчики продолжают передавать информацию по токовому выходу, а конфигурация датчиков устанавливается с одного цифрового выхода управляющей системы.

Структура подобной сети имеет следующий вид (рисунок 3.11):

Рисунок 3.11 – Структура объединения датчиков в сеть с использованием HART - мультиплексоров

На схеме (рисунок 3.11) обозначено:

Д_ij – датчик, i=1…32 – номер линии, j= 1…15 – номер датчика в линии;

HART–MUX1 – HART–MUX15 – HART – мультиплексоры.

Связь HART–мультиплексоров с системой управления осуществляется по интерфейсу RS485 (возможно использование интерфейса RS232). По данной схеме возможно объединить в единую сеть порядка 480 датчиков.

Для работы с HART – мультиплексорами в подобной сети фирма Метран разработала специальную программу MUX-MASTER. С помощью этой программы можно устанавливать или изменять настройки каждого из датчиков без использования контроллеров АСУТП.

3.3.2 Распределённая система измерения и регулирования температуры и освещённости на основе интеллектуальной сети Linet

Распределённые информационно-измерительные сети характеризуются адаптивностью, живучестью и открытостью. Под адаптивностью понимают возможность настройки при измерении конфигурации сети и её элементов. Живучесть предполагает способность выполнять установленные функции в условиях воздействия внешней среды и отказов компонентов системы. Открытость сети означает возможность ее модернизации без нарушения функционирования.

К распределённым сетям, используемым для сбора информации и управления, предъявляются следующие основные требования:

1) большая протяжённость линий связи;

2) значительное и труднопредсказуемое количество разнообразных датчиков, исполнительных устройств и приборов;

3) потребность в быстром и безболезненном изменении конфигурации сети;

4) относительно небольшой объем передаваемых данных;

5) не критичность к скорости передачи данных.

Для реализации указанных требований могут быть использованы различные варианты сетей, с том числе сети Linet.

Рассмотрим топологию сети Linet.

В наиболее общем виде схема сети имеет следующий вид (рисунок 3.12) :

Рисунок 3.12 – Топология сети Linet

На схеме (рисунок 3.12) обозначено:

КС - контроллер сети;

УК1..УКn - узловые контролеры (узлы) сети.

Внешние устройства любого типа подключаются к узловым контроллерам. Все узлы и сетевой контроллер соединены между собой витой парой проводников. При подключении к узловому контроллеру полярность проводников значения не имеет. Передача данных между узлами производится через контроллер сети в режиме разделения времени. Для передачи информации используется близкий к синусоидальному сигнал с несущей частотой 20 kHz, поэтому помех излучения практически не возникает. Вид передаваемого сигнала изображен на временной диаграмме (рисунок 3.13):

Рисунок 3.13 – Вид сетевого сигнала

Данные передаются положительной полуволной сигнала несущей. Состояние сигнала данных (“0” или “1”) определяется путём измерения площади верхней полуволны, что существенно снижает влияние высокочастотных помех и шумов на передаваемую информацию. В течении одной полуволны (slot) передается 1 bit информации: “0” или “1”.

Питание для узловых контроллеров передаётся в период отрицательной полуволны несущей. Поскольку передача данных и питания осуществляется разными полуволнами, то возможные изменения в потреблении и в форме напряжения питающей промышленной сети 220 V практически не влияют на надёжность функционирования сети.

Максимальное количество узлов контроллеров в одном сегменте сети не должно превышать 200. В случае необходимости подключения большего количества устройств сеть может быть расширена путём соединения нескольких контроллеров сети между собой через встроенные интерфейсы связи.

Контроллер сети выполняет следующие основные функции:

1. обеспечивает питание узлов;

2. поддерживает протокол передачи данных между узлами сети.

Выполнение этих функций осуществляется путём формирования сетевого сигнала в соответствии с рассмотренным выше форматом.

Контроллер сети может функционировать либо автономно, либо совместно с головным компьютером. Связь с головным компьютером осуществляется либо по интерфейсу RS-232 либо по протоколу Ethernet. В последнем случае возможно объединение нескольких подсетей Linet в единую промышленную сеть. Контроллер сети строится на основе RISC микроконтроллера.

Рассмотрим протокол передачи информации в сети Linet. В нем используется разделение каналов во времени и передача информации в сети производится по-кадрово. При этом каждый кадр состоит из 253 bit, из которых 53 bit предназначены для синхронизации и служебной информации, а остальные 200 bit являются информационными ( по одному биту на каждый узел).

Скорость передачи данных для одного узла 80 bit/sec. Общая пропускная способность сети 10 kbit/sec. Все узлы в сети обладают постоянным временем задержки и скоростью передачи данных.

Различают автономный и неавтономный режимы работы сети. В автономном режиме работы сеть находится под управлением операционной системы и прикладного программного обеспечения прошитого в ППЗУ контроллера сети. Операционная система обеспечивает функционирование сети на низком уровне и реализует следующие системные функции:

1. обеспечение обмена данными между узлами сети;

2. обеспечение обмена данными между узлами и контроллером сети;

3. организация логических групп сети;

4. организация интерфейса с головным компьютером или другими контроллерами сети.

Реализация всех интеллектуальных функций реализуется с помощью прикладного программного обеспечения.

При неавтономном режиме работы сети контроллер сети подключается к внешнему головному компьютеру и обеспечение интеллектуальных функций системы осуществляется с помощью прикладного программного обеспечения головного компьютера.

Рассмотрим более подробно построение сетевого контроллера. Его основой является специализированная интегральная микросхема микроконтроллера Linet, которая :

- содержит внутренний преобразователь питания;

- обеспечивает поддержку сетевого интерфейса и выполняет одну любую функцию из предложенного набора функций. Основными являются следующие функции:

1. прием и передача сигналов включения/выключения другим узлам и контроллеру сети;

2. возможность формирования сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для управления цепями постоянного тока;

3. возможность формирования сигнала с управляемой фазой для управления цепями переменного тока;

4. двусторонняя синхронная передача данных с постоянной скоростью между контроллером и другими узлами;

5. аналогово-цифровое преобразование информации с помощью встроенного 12-разрядного АЦП.

Основной отличительной особенностью сети Linet является применение так называемых «логических групп». При этом под «логическими группами» понимается группа узловых контроллеров способных выполнять функции присущие только той группе, к которой они относятся.

В сети Linet выделены 3 логические группы:

1) Toggle group – группа переключения типа «включен/выключен»;

2) Dimmer group – группа плавного изменения выходного напряжения с помощью сигнала с ШИМ;

3) Data group – группа обмена данными, которая включает Data 8,12,18 в зависимости от разрядности данных.

Рассмотрим использование сети Linet для построения промышленной распределённой системы измерения и регулирования температуры и освещенности, то есть системы микроклимата.

Структура системы для измерения температуры и освещенности в пятидесяти точках с возможностью выдачи управления по семидесяти каналам и при неавтономном режиме работы сети Linet имеет следующий вид (рисунок 3.14):

Рисунок 3.14 - Структурная схема системы измерения и регулирования температуры и освещенности на базе сети Linet

На схеме (рисунок 3.14) обозначено:

ПЭВМ – персональная ЭВМ;

КС – контроллер сети;

УК – узловые контроллеры;

ДТ1 … ДТ50 – датчики температуры;

ДО1 … ДО50 – датчики освещённости;

НУ1 … НУ100 – нормирующие усилители;

Л1 … Л50 – осветительные приборы;

В1 … В10 – вентиляторы;

Н1… Н10 – нагревательные приборы;

РЭО – регулирующий элемент осветительного прибора;

РЭВ – регулирующий элемент вентилятора;

РЭН - регулирующий элемент нагревателя;

Перед использованием сети выполняется ее конфигурирование, то есть распределение узловых контроллеров по функциональным логическим группам. При этом УК1.1 … УК1.50, УК2.1 … УК2.50 относятся к логической группе Data group (они используются для целей аналого-цифрового преобразования информации и передачи данных). Каналы управления осветительными приборами УК3.1..УК3.50 и каналы управления нагревательными элементами УК5.1..УК5.10 входят в логическую группу Dimmer group. Каналы управления вентилятором УК4.1..УК4.10 относятся к группе Toggle group.

После подачи питания контроллер сети КС опрашивает все узловые контроллеры и в оперативной памяти формируется таблица с номерами подключенных узловых контроллеров и номерами соответствующих им логических групп. Эта конфигурационная информация записывается во Flash-память контроллера сети и при последующих включениях загружается в ОЗУ автоматически. В последующем принадлежность узла той или иной логической группе можно переопределить с целью изменения конфигурации сети. Информация о текущем составе сети по интерфейсу связи передается в головной компьютер (ПЭВМ) для дальнейшей обработки. Последующее выполнение процедур обработки информации и управления исполнительными устройствами сети осуществляется с помощью головного компьютера (ПЭВМ). При этом можно выделить две основные функции, выполняемые системой:

- измерение температурного поля объекта и выработка управляющих воздействий с целью поддержания заданных температурных границ;

- измерение освещенности в выбранных точках объекта и выработка управляющих воздействий для поддержания заданного уровня освещенности в зависимости от типа помещения и характера выполняемых работ.

В случае выполнения первой функции выделяют две подфункции, которые характерны для любой системы автоматического регулирования. Первая - непосредственное измерение температурного поля объекта с помощью датчиков температуры ДТ1 … ДТ50 и соответствующих узловых контроллеров, осуществляющих функцию аналогово-цифрового преобразования. Эти данные поступают в контроллер сети и затем по интерфейсу RS-232 передаются в компьютер (ПЭВМ). Полученные данные анализируются на основе сравнения с заданными граничными значениями, после чего информация о необходимости регулирования температуры через контроллер сети передается в узловые контроллеры нагревательных элементов и вентиляторов, с помощью которых выполняется вторая подфункция.

Канал измерения и регулировки освещённости работает аналогично.