| Протокол | Скорость передачи | Топология | Макс. устройств | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| HART 5-7 | 1200 бит/с | Точка-точка, многоточечная | 15 (многоточечный режим) | Совместим с 4-20 мА, гибридный протокол |
| Foundation Fieldbus H1 | 31,25 кбит/с | Шина, древовидная | 32 на сегмент | Полностью цифровой, распределенное управление |
| PROFIBUS PA | 31,25 кбит/с | Шина | 32 на сегмент | Совместим с IEC 61158-2 |
| Модель | Производитель | Базовая точность | Протоколы | Диапазон измерения |
|---|---|---|---|---|
| Rosemount 3051 | Emerson | ±0,04% ВПИ | HART, Foundation Fieldbus | 0,13 кПа — 27,6 МПа |
| EJX110A | Yokogawa | ±0,04% шкалы | HART, Foundation Fieldbus, BRAIN | 0,5 кПа — 14 МПа |
| EJA110A | Yokogawa | ±0,065% шкалы | HART, Foundation Fieldbus, BRAIN | 0,5 кПа — 14 МПа |
| САПФИР-22 | НПП ЭЛЕМЕР | ±0,15% ВПИ | HART | 0,4 кПа — 10 МПа |
Стандарт IEC 61158 и цифровые промышленные сети
Международный стандарт IEC 61158 определяет технические требования к цифровым промышленным сетям связи для систем управления технологическими процессами. Актуальная версия IEC 61158:2023 описывает более двадцати различных типов протоколов, включая HART (Type 9), Foundation Fieldbus H1 (Type 1), PROFIBUS (Type 3) и другие цифровые интерфейсы для полевых устройств.
Преобразователи давления с цифровым выходом применяют архитектуру, соответствующую требованиям IEC 61158-2 для физического уровня. Это обеспечивает надежную передачу измерительных данных, параметров конфигурации и диагностической информации по двухпроводной линии. Физический уровень IEC 61158-2 использует кодирование Manchester Bus Powered с напряжением питания от 9 до 32 В постоянного тока.
Преимущества цифровых протоколов
Цифровая связь позволяет передавать не только значение измеряемого параметра, но и дополнительные переменные процесса, статистические данные, результаты самодиагностики, информацию о состоянии сенсора и электроники. Встроенные функции коррекции нелинейности, температурной компенсации и калибровки выполняются микропроцессором преобразователя.
Согласно IEC 61158, полевые устройства должны поддерживать Device Description файлы или DTM драйверы для обеспечения интероперабельности с системами различных производителей. Эти файлы содержат описание всех параметров прибора, доступных команд и методов визуализации данных на хост-системе.
Протокол HART в преобразователях давления
Highway Addressable Remote Transducer протокол представляет собой гибридную технологию, совмещающую аналоговый сигнал постоянного тока с цифровой передачей данных. Цифровой сигнал формируется методом частотной модуляции и накладывается на токовую петлю 4-20 мА без влияния на аналоговый выход.
Технические характеристики протокола
HART работает на частотах 1200 Гц (логическая единица) и 2200 Гц (логический ноль) со скоростью передачи 1200 бит/с. Протокол поддерживает два режима коммуникации: точка-точка с одним ведущим устройством и многоточечный режим с адресацией до пятнадцати преобразователей на одной линии. В многоточечном режиме аналоговый выход фиксируется на уровне 4 мА, все данные передаются цифровым способом.
Версии HART 5, 6 и 7 расширили функциональность протокола, добавив поддержку беспроводной связи (WirelessHART), расширенную диагностику и увеличенное количество переменных процесса. Преобразователи давления Rosemount 3051 поддерживают HART версии 5 и выше, что обеспечивает доступ к дополнительным измерительным каналам и расширенным диагностическим функциям.
Ограничения HART-протокола
При работе с длинными линиями связи необходимо учитывать влияние емкости кабеля на качество цифрового сигнала. Максимальная емкость линии не должна превышать значений, указанных в технической документации преобразователя. Для обеспечения надежной связи рекомендуется использовать экранированный кабель с витой парой.
Применение в промышленности
Датчики давления с HART-протоколом широко применяются в нефтегазовой отрасли, энергетике и химической промышленности. Преобразователи серий EJA и EJX компании Yokogawa, оснащенные кремниевым резонансным сенсором DPharp, обеспечивают базовую точность измерения до ±0,04 процента от шкалы для модели EJX110A и ±0,065 процента для модели EJA110A с возможностью дистанционной настройки через HART-коммуникатор.
Foundation Fieldbus для систем измерения давления
Foundation Fieldbus представляет собой полностью цифровую систему связи, разработанную FieldComm Group и стандартизированную как IEC 61158 Type 1. Технология предназначена для создания распределенных систем управления с возможностью выполнения алгоритмов регулирования непосредственно в полевых устройствах.
Архитектура Foundation Fieldbus
Система включает два уровня: Foundation Fieldbus H1 со скоростью 31,25 кбит/с для подключения полевых приборов и Foundation Fieldbus HSE на базе Fast Ethernet 100 Мбит/с для объединения сегментов H1. Один сегмент H1 может содержать до тридцати двух устройств при максимальной длине линии до 1900 метров без повторителей.
Преобразователи давления в архитектуре Foundation Fieldbus используют функциональные блоки: Resource Block для управления ресурсами устройства, Transducer Block для обработки сигнала сенсора, Analog Input Block для предоставления данных системе управления. Связь между блоками осуществляется по принципу publisher-subscriber, что обеспечивает детерминированную передачу данных.
Функциональная безопасность
Преобразователи давления с протоколом Foundation Fieldbus могут применяться в системах противоаварийной защиты при наличии соответствующей сертификации по стандартам IEC 61508 и IEC 61511. Датчики Rosemount 3051 и Yokogawa EJX сертифицированы для использования в системах уровня SIL 2, а при применении двух датчиков в конфигурации 1oo2 достигается уровень SIL 3.
Технические требования к монтажу
Для обеспечения искробезопасности систем Foundation Fieldbus применяется концепция FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept), определенная в IEC 60079-27. Барьеры FISCO ограничивают максимальные значения напряжения, тока и мощности в сегменте, что позволяет упростить расчет параметров искрозащиты. Источники питания Foundation Fieldbus должны соответствовать требованиям IEC 61158-2 и обеспечивать напряжение от 9 до 32 В при токе до 400 мА на сегмент.
Настройка преобразователей через цифровой интерфейс
Цифровые протоколы обеспечивают возможность дистанционной настройки преобразователей давления без снятия приборов с технологического процесса. Конфигурирование выполняется через портативный коммуникатор, систему управления с поддержкой HART или Foundation Fieldbus, либо через специализированное программное обеспечение.
Настройка через HART-коммуникатор
Для работы с HART-устройствами применяются программные средства типа HARTconfig, HART MultiConfig или DTM-приложения на базе стандарта FDT/DTM. Эти программы позволяют выполнять следующие операции: установку диапазона измерения с подавлением или возвышением нуля, выбор единиц измерения, настройку демпфирования, калибровку нуля и диапазона, конфигурирование режима аварийного сигнала.
Преобразователи Rosemount 3051 с HART-протоколом поддерживают функцию Auto Zero Trim для автоматической установки нулевого значения при подключенных и выровненных импульсных линиях без приложенного давления. Функция реализуется отправкой соответствующей команды через коммуникатор, что сокращает время пусконаладочных работ.
Конфигурирование Foundation Fieldbus устройств
Настройка преобразователей Foundation Fieldbus выполняется через хост-систему или инженерную станцию с использованием Device Description файлов. Процедура включает назначение постоянного адреса устройству (заводская установка 248), конфигурирование блоков AI, PID и AO, установку параметров L_TYPE для выбора типа сигнала, настройку шкалы XD_SCALE с указанием нижнего и верхнего пределов диапазона.
Датчики Yokogawa EJX с протоколом Foundation Fieldbus обеспечивают одновременную передачу дифференциального и статического давления через отдельные каналы, что позволяет реализовать расширенные алгоритмы компенсации плотности среды и температурной коррекции без дополнительных измерительных устройств.
Диагностика и мониторинг
Современные преобразователи давления выполняют непрерывную самодиагностику с передачей статусной информации через цифровой протокол. Диагностические функции включают контроль сенсора, электронного модуля, датчика температуры, аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового преобразователя.
Система оповещения NAMUR NE107
Преобразователи с HART и Foundation Fieldbus поддерживают стандарт NAMUR NE107 для классификации диагностических сообщений. Стандарт определяет четыре категории оповещений: Failure (отказ), Out of Specification (выход за технические характеристики), Maintenance Required (требуется обслуживание), Function Check (проверка функций). Каждое диагностическое событие автоматически относится к соответствующей категории.
Расширенная диагностика
Датчики давления Rosemount 3051 с опцией D01 Foundation Fieldbus Diagnostics Suite предоставляют дополнительные каналы диагностики: среднее значение и стандартное отклонение Static Pressure Monitor, данные о перегрузке по давлению, информацию о температуре сенсора. Эти параметры позволяют прогнозировать необходимость обслуживания и предотвращать аварийные ситуации.
Мониторинг состояния через Asset Management системы
Системы управления активами типа AMS Device Manager, PACTware или FieldCare обеспечивают централизованный мониторинг состояния полевых устройств. Через цифровой интерфейс собираются данные о наработке, количестве перезапусков, времени работы при граничных условиях, истории изменения конфигурации. Анализ этих параметров позволяет оптимизировать график технического обслуживания.
Преобразователи давления EJA и EJX компании Yokogawa сохраняют в энергонезависимой памяти информацию о максимальных значениях измеренного давления и температуры, что помогает идентифицировать события перегрузки и определить необходимость поверки или замены сенсора.
