В настоящий момент времени понятие «современное полевое оборудование» означает непременно «интеллектуальное оборудование», то есть оборудование (контрольно-измерительные приборы и исполнительные устройства), снабженное вычислительными мощностями и средствами цифровой коммуникации. Аналоговые приборы, то есть приборы, формирующие на выходе только стандартный аналоговый сигнал (чаще всего, 4 — 20 мА) стремительно исчезают из производственных программ ведущих фирм — производителей и, соответственно, с рынка полевого оборудования. Аналогичным образом, аналоговое исполнительное устройство — это устройство, воспринимающее стандартный аналоговый сигнал для формирования управляющего воздействия на технологический процесс в виде изменения расхода вещества или энергии. И здесь процесс замены аналоговых исполнительных устройств на интеллектуальные (то есть на устройства с интеллектуальными позиционерами) идет довольно интенсивно.
Вот три основные причины устранения аналоговых устройств с рынка полевого оборудования:
— неудовлетворительные технические характеристики (метрологические, надежностные, динамические и пр.);
— недостаточная информативность;
— стремительное развитие микропроцессорной техники, которое привело к созданию высокоэффективных, надежных и, вместе с тем, дешевых микропроцессоров и различных специализированных микросхем для применения в конструкциях полевого оборудования.
Понятие «недостаточная информативность» означает, что с точки зрения современных требований к качеству управления аналоговый сигнал несёт слишком мало информации. Отсутствует информация, подтверждающая достоверность результата измерения, то есть информация, подтверждающая исправность средства измерения. Отсутствует информация о самом средстве измерения (его тип, позиция, настройки). Достаточно представить себе ситуацию, когда в кроссовом помещении перепутали провода, идущие от разных датчиков; чтобы исправить положение необходимо провести сложную и утомительную процедуру «прозвонки» проводов. Кроме того аналоговый сигнал исключает саму возможность обратного воздействия на средство измерения с целью, например изменения его настроек. К перечисленным негативным факторам добавим свойственную аналоговым сигналам низкую помехоустойчивость.
Результатом развития методов и средств цифровой коммуникации явился HART — протокол. Принцип HART — коммуникации: цифровой высокочастотный сигнал накладывается на аналоговый сигнал стандартного диапазона 4-20 мА. Цифровой сигнал накладывается на аналоговый сигнал, не деформируя его. Цифровой сигнал основан на двоичном коде: нуль (0) реализуется посредством частоты 2200 Гц, а единица (1) посредством частоты 1200 Гц. HART — коммуникация осуществляется на основе стандартизованного протокола (HART — протокола). Посредством HART — коммуникации передаётся в обоих направлениях большое количество информации. От полевого оборудования в систему передаются: данные о параметрах технологического процесса, конфигурация полевого оборудования, его состояние и диагностические данные. От системы к полевому оборудованию передаются запросы на предоставление информации, команды на изменение настроек и пр. Коммуникация с полевым оборудованием может осуществляться либо через персональный компьютер (например, с рабочего места оператора), либо посредством HART-коммуникатора, подключённого к любому удобному месту контура 4- 20 мА. В настоящее время все контрольно — измерительное оборудование ведущих фирм имеет HART-исполнения. По оценке экспертов, количество производителей HART-совместимых продуктов превысило сотню.
Таким образом, HART — прибор — это прибор, снабжённый техническими средствами для обеспечения HART — коммуникации. Очень важным является то обстоятельство, что HART — протокол является универсальным и стандартизованным. Реализация HART — коммуникации в конкретном приборе любой фирмы-производителя соответствует стандартному протоколу, а также форматам описаний устройств и языку их обработки. Поэтому посредством HART — коммуникатора или программного обеспечения одной фирмы можно осуществлять цифровую коммуникацию с HART — приборами других фирм. Основные преимущества при использовании HART — устройств достигаются за счёт следующих факторов:
— высокая помехоустойчивость, свойственная вообще цифровой коммуникации;
— возможность дистанционной калибровки, конфигурирования и проверки состояния прибора,
— экономия кабеля для многопараметрических датчиков;
— повышение достоверности результата измерения (цифровой сигнал дублирует аналоговый сигнал);
— наличие «собственной» базы данных в каждом интеллектуальном приборе;
— возможность подключения к системе полевого оборудования разных производителей.
Освоение цифровых технологий открыло, в свою очередь, путь к появлению и развитию сетевых технологий. Сетевая технология — это раздел информационной технологии, основной характеристикой которого является объединение различных устройств общей линией («шиной»). Все устройства, объединенные этой шиной, образуют сеть, они передают в нее и получают из нее информацию. Вот три основные предпосылки, которые побуждают разработчиков систем АСУ применять сетевые технологии:
— высокая (и все возрастающая) стоимость кабельной продукции;
— высокая стоимость работ по монтажу, пусконаладке и эксплуатации централизованных систем, то есть систем с параллельным способом передачи информации от полевых устройств в систему;
— растущая потребность в распределении вычислительных мощностей между элементами системы и, в том числе, между полевыми устройствами.
Суть сетевой технологии применительно к полевому оборудованию заключается в подключении большого количества полевых устройств к одной линии, называемой полевой шиной. Действительно, вместо того, чтобы «тянуть» линию от каждого прибора, достаточно объединить все датчики, контроллеры и исполнительные устройства одной линией — шиной. К одному сегменту шины можно подключать полевое оборудование различного назначения. За счёт применения сетевой технологии достигаются высочайшие преимущества в плане передачи, обработки и хранения информации и экономии кабельной продукции. Все сетевые системы, связывающие полевые устройства с устройствами верхнего уровня, объединены понятием Fieldbus (буквально — полевая шина). Наиболее распространённые варианты (протоколы) промышленных сетей (применительно опять-таки к полевому оборудованию) — это FOUNDATION FIELDBUS, и PROFIBUS-PA .
Оба протокола различаются по нескольким важным моментам. Например, в FIELDBUS FOUNDATION обеспечивается циклическая связь между полевыми устройствами, что позволяет реализовать децентрализованные контуры управления и вычисления; предусмотрены также независимые аварийные сигналы от полевых устройств. В PROFIBUS процедура обмена между управляющими и подчиненными устройствами всегда требует циклического или ациклического вызова со стороны управляющего устройства; независимое воздействие (сигнал) подчинённого устройства или обмен данными между двумя подчинёнными устройствами невозможен без участия управляющего устройства.
Таким образом, прибор, поддерживающий FOUNDATION FIELDBUS или PROFIBUS-PA или какой-либо иной протокол, — это прибор, снабжённый техническими средствами для функционирования по данному протоколу. Выбор сетевого протокола для полевого оборудования (контрольно-измерительных приборов и исполнительных устройств) определяется требованиями системы управления.
Попробуем теперь сравнить три системы полевого оборудования: аналоговую, HART и сетевую (FIELDBUS). Образно говоря, аналоговая система — это наше вчера, система HART — это наше сегодня, сетевая система — это наше завтра. По сравнению с аналоговым вариантом вариант HART обеспечивает несравненно больший объем информации и дополнительные очень важные и полезные функции (помехоустойчивая двусторонняя связь между полевым оборудованием и контроллером, дистанционная проверка исправности оборудования, дистанционное изменение настроек, диагностика, сигнализация неисправностей элементов оборудования и пр.).
По сравнению с HART — вариантом сетевой вариант обеспечивает пользователю те же самые возможности, но при этом предоставляет существенные дополнительные преимущества:
— часть функций управления передаётся на уровень полевого оборудования.
— существенно расширяются возможности по передаче, обмену и хранению информации.
— достигается существенная экономия кабельной продукции и сопутствующих затрат на прокладку и обслуживание кабелей.
Однако эти преимущества могут быть реализованы только в том случае, если распределённая система управления поддерживает данный сетевой протокол. То есть выбор варианта здесь исходит от системы!
Разработчики и производители полевого оборудования активно готовятся к применению приборов в сетевых системах. В состав производственных программ включаются исполнения приборов, поддерживающие сетевые протоколы. Выполнение конструкции по блочно — модульному принципу позволяет реализовывать различные исполнения посредством сменных модулей.
Пользователь, выбирая полевое оборудование, выполненное по блочно — модульному принципу, в определённой степени страхует себя от возможных изменений в будущем. Например, заменой соответствующего модуля можно переделать HART -прибор в прибор, поддерживающий протокол FOUNDATION Fieldbus.
Аналогичным образом, выбирая программное обеспечение для интеллектуального полевого оборудования, следует остановить выбор на универсальном продукте, поддерживающем несколько основных коммуникационных протоколов.