Коммуникационный протокол HART

Наличие микропроцессорной электроники позволяет сделать датчики действительно интеллектуальными, так как появляется возможность применения средств коммуникации между датчиком, различными управляющими устройствами и исполнительными механизмами. В настоящее время возможности обмена данными в АСУ обеспечиваются множеством коммуникационных протоколов – например, протоколом HART или полностью цифровыми Fieldbus-протоколами.

HART-протокол занимает промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми и по сути является цифровым усовершенствованием токовой петли 4-20 мА, при этом сохраняется полная совместимость с существующими линиями 4-20 мА. Фактически, датчиками с поддержкой HART-протокола можно заменять аналоговые и использовать все преимущества цифрового обмена уже в действующих аналоговых системах.

Рисунок 4.1.7 – Гибридный режим работы датчика

Благодаря этому, переход на интеллектуальный КИП можно сделать постепенным. Датчики, поддерживающие HART-протокол, обладают всеми свойствами аналоговых приборов, предоставляют возможность удаленного считывания значения измеряемого параметра в заданных единицах измерения (наличие индикатора на датчике в этом случае необязательно), обладают более высокой точностью и, кроме того, имеют широкий набор дополнительных возможностей по удаленной настройке, диагностике и конфигурированию. Управление интеллектуальными датчиками осуществляется с помощью портативного HART-коммуникатора или с персонального компьютера, оснащенного необходимым программным обеспечением и HART-модемом.

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для передачи цифрового сигнала. Для передачи логической «1» HART-протокол использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» два неполных периода 2200 Гц.

Как видно на рисунке 4.1.7, HART-составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART никак не влияет на измерительный сигнал 4-20 мА.

HART-протокол построен по принципу «главный-подчиненный», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы.

Рассмотрим режимы работы интеллектуального датчика. Датчик может работать в гибридном режиме (режим совместимости с токовой петлей 4-20 мА), а также в многоточечном режиме.

Режим совместимости с токовой петлей 4-20 мА в соответствии с рисунком 4.1.7. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУТП, а обмен данными по HART-протоколу осуществляется через HART-коммуникатор или компьютер. При этом можно удаленно осуществлять полную настройку и конфигурацию датчика на расстоянии до 3000 м. Таким образом, оператору не нужно обходить все датчики на предприятии, он может настроить их все непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме датчик работает в режиме только с цифровым выходом. Аналоговый выход автоматически устанавливается в 4 мА и не зависит от входного сигнала. Информация об измерительном сигнале считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Каждый датчик в многоточечном режиме имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к датчику идет по этому адресу. Коммуникатор или АСУТП определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать отдельно с каждым из них в соответствии с рисунком 4.1.8.

Датчики давления серии «Метран-100»

Новый комплекс интеллектуальных датчиков давления «Метран-100» вобрал в себя самые лучшие и надежные модели ранее выпускаемых датчиков. Датчики «Метран-100» полностью заменяют известные семейства датчиков «Метран-22, -43, -44, -45, -49», «Сапфир-22М» и др., а также обеспечивают возможность замещения импортных датчиков аналогичного назначения.

Основой всех сенсорных блоков датчиков семейства «Метран-100» является чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире.

В памяти сенсорного блока хранятся в цифровом формате результаты предварительных измерений выходных сигналов сенсора во всем рабочем диапазоне давлений и температур. Эти данные используются микропроцессором для расчета коэффициентов коррекции выходного сигнала при работе датчика.

Цифровой сигнал сенсорного блока вместе с коэффициентами коррекции поступает на вход электронного преобразователя, микропроцессор которого корректирует этот сигнал по температуре и линеаризует его. На выходе электронного блока формируется стандартный выходной сигнал и цифровой сигнал в стандарте протокола HART.

Энергонезависимая память сенсорного блока, в случае отказа электронной части датчика, упрощает устранение неполадок в приборе: ремонт сводится лишь к замене его микропроцессорной платы.

В датчиках «Метран-100» реализовано 25 универсальных команд HART-протокола. К ним относятся: перенастройка диапазона измерения, смена единиц измерения, установка нуля и др., а также реализованы три специальные команды: две команды калибровки – верхний и нижний предел измерений и команда расширенной диагностики состояния датчика.

«Метран-100» тестируется по ряду параметров (ПЗУ, микропроцессор, обрыв сенсора и др.), результаты диагностики выводятся на экран компьютера или на HART-коммуникатор. Предусмотрена установка нуля датчика простым нажатием внешней кнопки без разгерметизации оболочки электронного блока и без нарушения требований взрывозащиты.

Рисунок 4.1.8 – Многоточечный режим работы датчиков

Основные технические и метрологические характеристики.

Рабочие среды: жидкости, газы, пары.

Измеряемые величины:

· избыточное давление ДИ

· абсолютное давление ДА

· разрежение ДВ

· давление-разрежение ДИВ

· разность давлений ДД

· гидростатическое давление (уровень ДГ)

Диапазоны измерений:

· минимальный 0-0,04 МПа

· максимальный 100 МПа

Статическое рабочее давление:

· для датчиков разности давлений 40 МПа

· для датчиков гидростатического давления 10 МПа

Характеристика выходного сигнала:

Программируется в соответствии с функцией преобразования входной величины:

· линейно-возрастающая;

· линейно-убывающая;

· по закону квадратного корня.

Демпфирование – от 0,2 до 25,6 с.

Температура окружающей среды, °С – от минус 40 до плюс 70 (по специальному заказу от минус 50 до плюс 70, в том числе для датчиков со встроенным цифровым индикатором).

Относительная влажность – до 100%.

Влияние температуры окружающей среды, % (при изменении на 10°С)

±(0,05+0,04P_max/P_в) для датчиков с g=0,1%;

±(0,05+0,05P_max/P_в) для датчиков с g=0,15% и g=0,25%.

Стабильность до ±0,15% от максимального верхнего предела измерений (P_max) за год.

Влияние рабочего статического давления:

· смещение нуля не превышает 0,04%/1 МПа от P_max и может быть устранено выполнением команды «установка нуля» датчика.

Статическое давление практически не оказывает влияния на калиброванный диапазон измерений.

Напряжение питания от 12 до 42 В (4-20 мА).

Степень защиты оболочки от пыли и воды – IP65.

Группа размещения и группа назначения – 3, в соответствии с ОТТ 08042462.

Группа по безотказности – 2, в соответствии с ОТТ 08042462.

Класс безопасности – 3НУ и 2НУ, в соответствии с ПНАЭ Г-01-011-97.

Средняя наработка датчика на отказ с учетом технического обслуживания составляет 270000 ч.

Материалы деталей, контактирующих с рабочей средой:

· мембраны измерительные, разделительные и другие чувствительные элементы – сплавы 36НХТЮ, 15Х18Н12С4ТЮ, 06ХН28МДТ, тантал, титан ВТ-1-0, титановый сплав;

· фланцы и другие детали, контактирующие с рабочей средой – углеродистая сталь с покрытием, нержавеющие стали и сплавы 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 15Х18Н12С4ТЮ, 08Х18Г8Н2Т, 06ХН28МДТ, 10Х17Н13М2Т, ХН65МВ, Н70МВФ, титановый сплав.

Уплотнительные кольца: фторопласт и специальные марки резины.

Межповерочный интервал – 3 года.

Гарантия – 3 года.

Датчики давления «Метран-100» имеют встроенный фильтр радиопомех. Помимо исполнения датчика «Метран-100» с поддержкой коммуникации по HART-протоколу имеется исполнение с обычным аналоговым выходным сигналом, тем не менее «Метран-100» может быть легко, сменой всего одной платы (операция может быть выполнена потребителем), превращен в интеллектуальный с поддержкой HART-протокола. В будущем планируется разработка электронной платы Foundation Fieldbus для «Метран-100».

Перенастройка диапазонов измерений в пределах одной модели датчика – до 25:1.

Погрешность – до ±0,1% от калиброванного диапазона измерений, включая погрешность нелинейности, гистерезис и повторяемость.

Смещение нуля калиброванного диапазона измерений в пределах наибольшего диапазона измерений модели датчика.

Выходной сигнал 4-20 мА с наложенным сигналом HART.

Датчики «Метран-100» совместимы с любыми управляющими устройствами, поддерживающими HART-протокол.

Интеллектуальные датчики давления «Метран», поддерживающие HART-протокол, успешно прошли промышленные испытания на предприятиях ООО «Астраханьгазпром» и ОАО «Сургутгазпром» и в настоящее время эксплуатируются на действующих установках этих и других предприятий, в том числе при измерении давления и расхода сред с высоким содержанием сероводорода (более 30%) при температуре более 80°С.

Результаты годовой эксплуатации датчиков в сложных промышленных условиях открывают широкие возможности для использования новых интеллектуальных датчиков давления на других объектах ОАО «Газпром», а также в других отраслях промышленности для измерения параметров различных рабочих сред, в том числе загрязненных и агрессивных (нефтедобыча и переработка, химия, металлургия и др.).

Таблица 4.1.2 – Сравнение технических характеристик интеллектуальных датчиков давления

Маркировка взрывозащиты – Exia IIСТ5X.

Средний срок службы – не менее 12 лет (не включая автономный источник питания).

Средняя наработка на отказ – 20000 ч.

Гарантия – в течение 18 месяцев со дня ввода в эксплуатацию.