Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Moderní komunikací pro automatizaci je bezdrátová síť WirelessHART

Článek popisuje možnosti, které přináší využití bezdrátové komunikace na úrovni snímačů a akčních členů v průmyslové automatizaci, zejména s ohledem na široce rozšířené sítě podle standardu WirelessHART.

HART a cyklický přenos dat

Protokol HART se stal nejpoužívanějším protokolem pro komunikaci s inteligentními přístroji užívanými pro řízení a monitorování technologických procesů. Byl vyvinut především pro acyklickou komunikaci pro přenos servisních a diagnostických informací. Avšak již od počátku podporoval i cyklický přenos dat, který uživatel očekává od průmyslových sběrnic. Charakteristické rysy on-line komunikace chytrých přístrojů s použitím protokolu HART jsou režim shlukování paketů (burst mode), komunikace s několika přístupovými body současně (multidrop), sběrnice FSK (FSK bus) či použití multiplexorů. Na straně řídicích nebo monitorovacích systémů se používají vstupy transparentní pro HART, které mimo signál 4 až 20 mA dokážou zpracovat i frekvenčně modulovaný signál HART.

Ovšem jen 10 % ze všech instalovaných chytrých převodníků s protokolem HART je připojeno k systému umožňujícímu komunikaci on-line prostřednictvím protokolu HART. U většiny převodníků uživatelé využívají jejich komunikační schopnosti jen při servis­ních zásazích nebo diagnostických testech pomocí ručních komunikátorů nebo komunikačních modemů. Je pozoruhodné, že uživatelé investují do chytrých zařízení nemalé prostředky, ale u 90 % z nich využívají jejich možnosti jen omezeně.

Vývoj protokolu HART

Protokol HART byl a stále je vyvíjen a prošel několika mezníky. Jedním z nich bylo uvedení verze HART rev. 5. Ta se ukázala být ze všech verzí protokolu HART zatím nejúspěšnější: bylo vyrobeno více než 30 milionů přístrojů používajících tuto verzi HART. Základní podmínkou uvolnění zařízení na trh je zpětná kompatibilita vyšších verzí, a protože HART rev. 5 je stále ze všech verzí nejrozšířenější, i nově vyvinuté přístroje jsou dodávány s nejnovějšími verzemi protokolu HART v módu komunikace HART rev. 5. Do HART rev. 6 nebo rev. 7 je možné přístroje přepnout změnou konfigurace protokolu.

Další velký mezník ve vývoji protokolu HART je rev. 7, zahrnující bezdrátové komunikace a umožňující použít i novou, modernější fyzickou vrstvu podle specifikace IEEE 802.15.4 místo původní specifikace Bell 202. Schválení normy IEC 62591 (Industrial communication networks – Wireless communication network and communication profiles – WirelessHART™) v roce 2010 umožnilo všeobecné využití HART rev. 7 a vznik nového označení přístrojů využívajících bezdrátové komunikační prostředky s protokolem HART rev. 7 – WirelessHART.

Sítě s topologií mesh

Základním požadavkem na bezdrátové komunikace v provozním prostředí je jejich spolehlivost. Nepříznivě působí zejména různé zdroje rušení a útlumu elektromagnetického signálu. Z praxe je známo, že spolehlivost bezdrátové komunikace mezi vysílačem a přijímačem je při topologii bod-bod velmi závislá na vzdálenosti účastníků, síle signálu a úrovni rušení. Spolehlivost komunikace lze významně zvýšit použitím sítě s volnou topologií typu mesh. Právě tu využívá i WirelessHART. Spolehlivost přenosu v sítích mesh (v závislosti na konfiguraci) dosahuje 99,9 %. Každý přístroj, který je součástí této sítě, plní nejen svoji funkci vysílače (snímač) nebo přijímače (akční člen), ale i funkci opakovače. Důvodem velké spolehlivosti sítě je možnost hledat alternativní přenosové cesty. Při správné konfiguraci sítě by každý přístroj měl mít pro přenos signálu k dispozici minimálně tři cesty. Základem takové sítě je komunikační brána, která zajišťuje komunikaci s nadřazeným systémem a organizuje komunikaci mezi přístroji WirelessHART.

Spotřeba komunikačního rozhraní

Fyzická komunikační vrstva na základě standardu IEEE 802.15.4 umožňuje vývoj přístrojů s malou spotřebou. Hlavním faktorem celkové spotřeby energie přístroje jsou energetická náročnost komunikačního rozhraní a energetická náročnost vlastní měřicí funkce přístroje. Podaří-li se udržet energetickou náročnost obou funkcí na nízké úrovni, je možné přístroje napájet z baterií, přičemž životnost baterie může dosahovat až deseti let – to závisí především na nastavené periodě vzorkování daného přístroje, jeho vytížení jako opakovače v síti a na provozních podmínkách, zejména na teplotě okolí.

Zabezpečení dat

K zabezpečení sítě WirelessHART jsou použity obdobné ochranné prostředky, které byly vyvinuty pro sítě WiFi. Jsou však pevně nastaveny na nejvyšší úroveň zabezpečení a není možné si ochranu volit tak, jak je známa z konfigurace WiFi.

Sortiment společnosti Emerson Process Management pro bezdrátové komunikační sítě

Společnost Emerson Process Management sestavila vizi budoucích bezdrátových sítí pro automatizaci v procesním průmyslu (obr. 1). Jsou zde dvě komunikační úrovně: komunikace na úrovni řízení podniku a komunikace na úrovni provozního řízení. Řízení podniku zahrnuje komunikaci mezi řídicími, monitorovacími a jinými systémy, operátorskými pracovišti a stanicemi a bezpečnostními systémy ochrany objektů a osob. Úroveň provozního řízení zahrnuje komunikaci s jednotlivými převodníky a akčními členy umístěnými přímo v provozu. Na této úrovni se používají mnohé průmyslové sběrnice, např. Founda­tion Fieldbus nebo Profibus, a novinkou jsou zde bezdrátové sítě WirelessHART.

Komunikační brána typu 1410 umožňuje připojit až 25 přístrojů, komunikační brána 1420 až 100 přístrojů WirelessHART (obr. 2). Obě brány mají OPC Server a komunikují s nadřazeným systémem pomocí protokolů HART-IP, Modbus-TCP nebo EtherNet/IP.

Společnost Emerson Process Management vyrábí široké spektrum přístrojů s bezdrátovým výstupem WirelessHART:

  • převodníky tlaku 3051S, 3051 a 2051 (přístroje řady 3051 a 2051 mají integrovanou anténu a dosah až 200 m; jejich kryt je vyroben z polymeru; obr. 3),
  • převodníky pro senzory teploty 248, 648 a 848 (převodník 848 umožňuje připojení až čtyř senzorů, všechny převodníky mají univerzální programovatelné vstupy a možnost připojit anténu s rozšířeným dosahem až 800 m; obr. 4),
  • kontaktní radarový hladinoměr 3308 – první kontaktní radarový hladinoměr s bezdrátovým výstupem (obr. 5),
  • vibrační snímač polohy hladiny 2160 (obr. 6),
  • převodník 702 pro zpracování binárních vstupů nebo výstupů,
  • převodník pro senzory vibrací 9420, určený pro analýzu stavu ložisek točivých strojů (obr. 7),
  • analyzátor koroze Roxar,
  • převodník 6081 pro měření vodivosti nebo pH s možností připojit široké spektrum sond (obr. 8),
  • převodník akustického signálu 708, určený ke sledování stavu odvaděčů kondenzátu a pojišťovacích ventilů,
  • převodníky pro snímání polohy 4310 a 4320 – převodník 4310 umožňuje snímání koncových poloh a převodník 4320 je určen pro analogové snímání polohy ventilu či klapky,
  • HART Adapter 775, který komunikuje s přístrojem s kabelovým výstupem protokolem HART a přenáší takto získané informace do sítě WirelessHART (pomocí tohoto adaptéru je možné též konfigurovat přístroje obdobně jako modemem nebo ručním konfigurátorem).

Nové sítě vyžadují nový přístup k návrhu řídicích systémů

Sítě WirelessHART jsou v oblasti měřicí a regulační techniky stále ještě relativně nové. Dnes se již používají nejen pro monitorování a diagnostiku, ale mohou být zapojeny i ve zpětné vazbě regulační smyčky. Tak jako zavedení kabelových sběrnic znamenalo změnu v návrhu řídicích systémů, i použití bezdrátové sítě mění nejen topologii systému, ale i postup jeho návrhu. Již od samého začátku je nutné brát v úvahu potřebnou periodu vzorkování pro každé měření i každý výstup.

Řídicí systémy skenují vstupy řádově ve stovkách milisekund. Ovšem např. běžný snímač teploty s jímkou dokáže zareagovat na skokovou změnu teploty s časovou konstantou více než 10 s. Za tuto dobu systém sejme 100 hodnot, které následně zpracovává. Pro takový teploměr plně postačí perioda vzorkování 4 s.

Další otázkou však je, zda je nutné každé 4 s měřit teplotu v nádrži o objemu několik tisíc litrů, když při maximálním příkonu ohřevu se může teplota média změnit o 1 °C za déle než hodinu. To musí brát projektant v úvahu, když stanovuje periodu vzorkování, na níž podstatně závisí perioda výměny baterií u bezdrátových snímačů teploty i zatížení komunikační sítě.

Bezdrátové sítě spoří investiční náklady: není nutné instalovat kabeláž, kabelové lávky a propojovací krabice – projektování a uvádění komunikačního systému do provozu je výrazně jednodušší.

Závěrem

Je zřejmé, jaký převrat v osobní komunikaci přinesly sítě GSM. Je možné předpokládat, že sítě WirelessHART budou obdobnou převratnou změnou pro automatizaci.

Další informace o nabídce firmy Emerson Process Management získají zájemci na info.cz@emersonprocess.cz, www.emersonprocess.cznebo tel. +420 271 035 600.

Marek Kafka, Emerson Process Management, s. r. o.

Obr. 1. Schéma komunikační sítě v průmyslovém podniku podle vize společnosti Emerson Process Management

Obr. 2. Komunikační brána 1420

Obr. 3. Převodník tlaku 2051 s vestavěnou anténou a převodník tlaku 3051S

Obr. 4. Snímač teploty s převodníkem 648 a převodník 848 až pro čtyři snímače teploty

Obr. 5. Radarový hladinoměr s vedenou vlnou

Obr. 6. Vibrační snímač polohy hladiny 2160

Obr. 7. Převodník vibrací 9420

Obr. 8. Převodník vodivosti nebo pH typu 6081