Безжичните трансмитери в индустрията

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2009

Безжичните трансмитери в индустриятаБезжичните трансмитери в индустриятаБезжичните трансмитери в индустрията

Все по-широко използвано измервателно средство в процесната автоматизация


     Не са един и двама специалистите по автоматизация, които определят навлизането на безжичните технологии, като цяло, и на безжичните трансмитери, в частност, като революция в автоматизацията. И това не е пресилено - използването им налага нов подход при изграждане на системите за автоматично управление. Премахването на полевото окабеляване чувствително опростява проектирането, а отсъствието на кабелни трасета, табла, съединителни кутии и т. н. спестява трудоемката и скъпоструваща инженерингова дейност в процеса на внедряване на ново оборудване (фиг. 1). Резултатът е гъвкава( на всички нива) система за автоматизация. Безжичните технологии позволяват всички бъдещи подобрения и промени в технологичната схема да се осъществят без сериозни проблеми с кабелната инфраструктура на полевия КИП. По този начин разширенията и модернизациите могат лесно и удобно да се извършват в най-кратко време и с минимални разходи.

Защо безжичните технологии навлизат в индустрията?
Съществуват няколко предпоставки за навлизане на безжичните трансмитери (wireless transmitters) в промишлената автоматизация. Преди около 15 години масово започнаха да се използват интелигентни трансмитери. Почти по същото време бе и първата вълна, отбелязала широкото навлизане на мрежовите технологии. Към тези фактори следва да добавим и развитието на елементната база в електрониката, разработването на висококачествени източници за батерийно захранване и прогреса в радиочестотните комуникации. На фиг. 1 е показано сравнение между различните видове разходи, необходими за внедряване на класически (жични) и безжични трансмитери. Видно е, че ако ползите от внедряването и на двата типа трансмитери са едни и същи, то съотношението печалба/разходи при безжичните е много по-голямо. Разбира се, показаните стойности не са абсолютни. Тъй като изискванията към всеки проект са индивидуални, най-рационално е чрез технико-икономическия анализ да се определи най-ефективното решение.

Стандарти за безжична комуникация в автоматизацията
Все още безжичните комуникации с индустриално приложение се смесват с безжичните комуникации по принцип, т.е. с информационен обмен, който се извършва по радиоканал. Най-главната разлика между двете понятия е, че безжичният информационен обмен в промишлеността (а също и в други области като сградната автоматизация, транспорт, енергоразпределение и др.) е подчинен на специално разработени международни стандарти. Те отчитат:
l спецификите на приложната област;
l обезпечават на потребителите набор от технически характеристики на оборудването, което ще използват;
l гарантират съвместната работа на устройства от различни производители;
l и не на последно място, стандартите са в съответствие със законовите и нормативни разпоредби.
В настоящата статия са разгледани в синтезиран вид трите най-разпространени в индустрията стандарта за безжични трансмитери - WirelessHART (Безжичен HART), IEEE 802.11 и ISA100a.
Стандартът WirelessHART
В статията "Безжичен HART" на сп. "Инженеринг ревю" от ноември 2007 г. стандартът бе разгледан в подробности. Тук припомняме някои от най-важните му елементи. През 2007 г. фондацията HART официално обнародва спецификациите на стандарта WirelessHART. Технологията му е насочена към специфичните нужди на процесната индустрия от опростена, сигурна и надеждна във времето безжична комуникация. Разработването на спецификациите е на основата на утвърдили се в практиката стандарти, като традиционния HART протокол (използва се от над 25 милиона устройства по целия свят) и стандарта за безжични комуникации IEEE 802.15.4 (разгледан бе детайлно в статията "Безжични технологии на полево йерархично ниво" в сп. Инженеринг ревю от септември 2007 г.)
WirelessHART представлява мощна технология, базирана на разпределени мрежи, работеща в 2400 - 2483,5 MHz честотна лента ISM (Industrial, Scientific, Medical - промишлен, научен, медицински) обхват, който е безлицензен в повечето държави. Максималната скорост на обмен е до 250 kbps. Безжичната HART мрежа работи с 16 честотни канала в посочения обхват, като за осигуряване на надеждна комуникация се използва техниката за смяна на канала FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum).
При излъчване на номинална мощност, максималната дистанция между устройствата е до около 200 метра, в повечето случаи. В интерес на истината следва да се отбележи, че ограничаването на предавателната мощност не е случайно. От една страна, по този начин се осигурява енергоспестяване, тъй като в преобладаващата си част приборите, използващи безжична комуникация, са с автономно захранване. От друга страна, така се изпълняват най-добре изискванията на нормативната уредба за радиочестотна интерференция. Практически е установено, че по-големи комуникационни дистанции не са необходими, тъй като безжичните устройства винаги работят в самоорганизираща се мрежа, препредавайки си информация до достигането й до съответния мрежов порт (фиг. 2).

Стандартът IEEE 802.11
Известен е още като Wi-Fi, безжичен Етернет или безжична LAN (Local Area Network). В действителност, това е фамилия от стандарти, първият от които е с наименование 802.11. Той е разработен през 1999 г. и до днес е придобил голямо разпространение, дори е възможно някои от преносимите компютри около вас да го използват за свързването им в мрежа.
За промишлени приложения стандартът 802.11 се използва като ценово изгодно решение за свързване на малки мрежи от безжични устройства към управляваща система или към заводската локална мрежа. Най-важните характеристики на групата стандарти могат да се видят в табл. 1. Важно е да се направи следното уточнение - стандартът не се използва за комуникация от вида "устройство с устройство", например между два трансмитера за налягане. Причината е сравнително голямата енергия, изисквана от този тип комуникация. IEEE 802.11 широко се използва за свързване на отдалечена или изнесена на разстояние от основната безжична мрежа (фиг. 3).

Стандартът ISA 100.11
Комитетът ISA 100, като част от ISA (International Society of Automation - Международно сдружение по автоматизация), е създаден през 2005 г. с цел създаване на стандарти и обмен на информация между компаниите-основателки. Тези стандарти ще се отнасят до изграждане на безжични системи в среда, използвана за контрол и автоматизация, като основният фокус е полевото йерархично ниво. През октомври 2008 г. бяха оповестени проектите на някои от стандартите в групата на ISA 100 (срещан и като SP 100 или ISA-SP 100) и бяха записани близо 1800 коментара и препоръки. Интересен е фактът, че работната група включва над 400 професионалисти, предимно от областта на автоматизацията. Те са представители на над 250 компании, между които не само водещите производители на оборудване, но и потребителите му от химическа, нефтопреработвателна и други сектори на индустрията. Накратко, ISA 100 включва следния пакет от стандарти:
ISA 100.11a - стандарти, дефиниращи безжична свързаност, с основен фокус (но не и ограниченост) върху нуждите на приложенията за управление, т.е. всичко от отворен контур с ръчно управление до затворена система за регулиране. Като типични приложения могат да се посочат автоматично управление в процесната индустрия на параметри, като температура, разход, ниво и налягане. Други приложения са управление на скоростта на въртящо се оборудване и мобилни оператори, които могат да въздействат дистанционно чрез преносими, безжични устройства.
ISA 100.12 - стандарти, имащи за цел обединяването на ISA 100.11a и Безжичен HART.
ISA 100.14 - стандарти, определящи безжична свързаност за специализирано използване и индустриални приложения, като мониторинг, събиране на информация и алармиране. Към тях могат да се добавят и управление, което не е критично, параметри на околната среда, управление на активи и други подобни.
ISA 100.21 и ISA 100.22 - това са стандарти, насочени към RFID и управление на складове.
Както се вижда от краткото описание на групите стандарти, ISA 100.11a е пряко свързан с промишлената автоматизация. Специален акцент се поставя върху разработването на устройства с ниска консумация на енергия, работещи съвместно в големи инсталации. Стандартите дефинират изискване безжичната инфраструктура да може да се кооперира със съществуващата и да е съвместима с други безжични устройства. Те ще бъдат отворени и лесно достъпни.

Общи характеристики на безжичните трансмитери
Логично, общите характеристики на безжичните трансмитери произтичат от способностите им да комуникират безжично. Работният им честотен обхват е в диапазона 2400 - 2483,5 MHz или от 869,4 до 869,65 MHz. И двата диапазона са от типа FHSS. Много от моделите могат да работят и в двете честотни ленти. Скоростта на информационен обмен е съответно 250 kbps и 4,8 kbps. Излъчваната мощност може да бъде до 400 mW (26.0 dBm), включително антената за приложения в САЩ и Канада или до 100mW (20.0 dBm) включително антената за Европейския съюз.
Производителите предлагат използването и на различни допълнителни антени, освен интегрираната в прибора. Използването им прави комуникацията по-добра и по-сигурна. Също така, допълнителната антена може да бъде изнесена на подходящо място, с до 20 метра дължина на свързващия кабел. Така номиналният работен обхват достига над 300 м при идеални условия за връзка. Важно е да отбележи, че когато се използва интегрираната с прибора антена, тя трябва да е вертикално насочена. Поради това производителите я инсталират на подвижен куплунг, който позволява, при различните положения за монтаж на трансмитера, антената да бъде правилно ориентирана.
Автономното захранване е специфичен елемент от конструкцията на безжичните трансмитери. Съвременните модели са оборудвани с подходящи батерии, имащи различен живот, най-често до 10 години.

Безжични трансмитери за диференциално налягане
Тези прибори са сред най-използваните. В зависимост от изискванията към различните приложения, чрез тях се измерват характеристиките налягане, вакуум, диференциално налягане, ниво (на съдове под налягане и на отворени съдове), разход на флуиди (чрез диафрагма, тръба на Пито и др.), а също и комбинация от тях, например налягане и разход.
Измервателният обхват е основна характеристика на всеки безжичен трансмитер за диференциално налягане. Обикновено се предлагат три групи обхвати: от 0 до 1000 mbar, от 0 до 7000 mbar и от 0 до 210000 mbar. Някои модели предлагат възможност за мащабиране на измервателния обхват и изместване на нулата. Съвременните трансмитери дават възможност за над 40-кратно мащабиране на обхвата, а се предлагат и модели и с 200:1. Това означава, че обхват от 0 до 1000 mbar би могъл да бъде редуциран, примерно до 50 mbar, при 40:1. Изместването на нулата може да бъде в целия диапазон на допустимия обхват, като при някои модели и до 10% в отрицателна посока.

Точност, стабилност на показанията, материали
Както за всяко измервателно устройство, така и за трансмитерите за диференциално налягане, много важна характеристика е точността. Производители я дефинират за всеки от предлаганите модели, в зависимост от условията на работа. Обикновено се задава точност, отчитаща грешката от статичното налягане и от температурата. При повечето модели, точността е ±0.25% от измервателния обхват. Стабилността на показанието във времето е в рамките на ±0.04% отклонение за година от горната граница на измервателния обхват.
Работният обхват на околната температура се задава най-често в границите от -40 до +85 °C, а на корпуса на измервателната част -40 до +110 °C.
Материалите, от които е изработен трансмитерът, трябва да обезпечава неговата надеждна работа. В това отношение не съществува разлика между традиционните и безжичните трансмитери за диференциално налягане. Корпусът на измервателната част се изработва от неръждаема стомана 316L или от черна стомана с цинково покритие. Материалът за корпуса на електрониката обикновено е от сплави на алуминия с покритие от епоксидно-полиестерен хибрид, съгласно изискванията NEMA 4X за корозионна устойчивост.
Присъединяването не се различава от характерните за традиционните трансмитери начини на монтаж. Това позволява използването на аналогични тривентилни батерии и аксесоари, и др.

Безжични трансмитери за налягане
Повечето от характеристиките им, а именно точност, стабилност, материали за изработка и допустими работни условия, са аналогични на трансмитерите за диференциално налягане. Те са две големи групи - за абсолютно и за манометрично налягане. Първите се предлагат за работни диапазони от порядъка на 35 barA, а вторите до 415 bar.
Безжични трансмитери за температура
Температурата е сред често измерваните параметри в процесната индустрия. Това обяснява и факта, че сред първите разработени безжични трансмитери са тези за измерване на температура. Пригодени са да работят както с терморезистивни чувствителни елементи, така и с термодвойки. На практика, по този начин се покриват всички широко разпространени стандарти. При терморезистивните сензори - Pt100 (a = 0.00385, a = 0.003910 и a = 0.003916), Pt50, Pt200, Pt500, Pt1000, Cu 10, Cu 50 (a = 426 и a = 428), Cu 100 (a = 426 и a = 428) и Ni120. При термодвойките - типове B, E, J, K, N, R, S, T и др. Измервателните обхвати зависят от вида на чувствителния елемент, но като правило не съществуват ограничения. Например за масово използвания сензор Pt100 (a = 0.00385), той е от -200 до +850°C.
Интересен е фактът, че някои модели безжични трансмитери за температура позволяват свързване на няколко сензора едновременно. Например, могат да имат като входове 3 термодвойки или 2 терморезистора, или 1 термодвойка и 1 терморезистор.

Безжични трансмитери за pH и ORP
Методите за измерване на pH и окислително редукционен потенциал (ORP) са с ниска енергийна консумация, което ги прави много удобни за безжична комуникация. Обхватът за измерване на pH е от 0 до 14, а за ORP от -1400 до +1400 mV. Трансмитерът извършва автоматична температурна компенсация, чрез вграден терморезистор Pt100 в сензора. Съществува и вариант, компенсацията да се извършва ръчно. Точността му е ±0.01 pH ( ±1 mV), а температурният обхват от -10 до +150 °C.

Безжични трансмитери за измерване на корозия
За много специалисти по КИП и А, трансмитерите за корозия все още са “екзотични” прибори. Предназначението им е да измерват степента на корозия и локална корозия (наричана още точкова). За целта се използва метод, наречен "анализ на хармоничните изкривявания". Накратко, по време на измервателния цикъл, трансмитерът излъчва уникален електрохомичен шум, определянето на който, в комбинация с данните за степента на корозия, осигурява измерване на локалната корозия. В края на всеки измервателен цикъл се калкулира актуалната степен на корозия.
По принцип, безжичните трансмитери за корозия поддържат четири изхода, които са: степен на корозия, индикатор за точкова корозия, стойност на Стерн-Гири (В-стойност) и четири променливи, които се използват за диагностициране на механизма на корозия. Трансмитерът се присъединява към процеса чрез специфична сонда, представляваща комбинация от електроди.

Безжични трансмитери за дискретни сигнали
Немалка част от сигналите, използвани в индустрията, имат две състояния. Това е причината, наложила разработването на безжични трансмитери за дискретни сигнали. Тези уреди имат няколко входа (обикновено два или три), което е основно тяхно преимущество. Състоянието на входовете се сканира на определен период от време, около 10 пъти в секунда, и се излъчва от трансмитера.

Безжични трансмитери за преобразуване на сигнал
Принципът на действие на някои видове прибори е свързан с относително висока консумация на енергия, например електромагнитните разходомери, което ги прави трудно използваеми в една безжична мрежа. Това е наложило създаването на специални трансмитери, които се използват за преобразуване на сигнала от произволен трансмитер в безжичен сигнал.
Трансмитерите за преобразуване на сигнала притежават вход за стандартните унифицирани сигнали 0-5V, 1-5V, 0-20mA и 4-20mA. Стройността на входа се предава в безжичната мрежа, както при останалите трансмитери.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top