Искробезопасная мультиплексорная система для мониторинга
во взрывоопасных зонах

На промышленных предприятиях обычно требуется обеспечить сбор большого количества данных о таких параметрах технологических процессов, как температура, давление, расход, уровень, состояние контактных или бесконтактных датчиков, и передачу их в удаленный центр управления (например, операторскую), где ПЛК (программируемый логический контроллер) или управляющий компьютер обрабатывает полученные данные и использует их для текущего контроля и отображения информации о состоянии процесса для оператора.

Для этих целей специально предназначены системы нормализации и сбора данных (Signal Conditioning And Data Acquisition, SCADA). Современная микроэлектроника предоставляет быстрые, точные и стабильные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), высокоскоростную обработку данных и обеспечивает возможности для выполнения быстрых и высокоточных измерений различных параметров. Все это может быть реализовано в компактных надежных устройствах, способных работать в жестких условиях окружающей среды.

Мультиплексоры являются типичным многоканальным оборудованием, используемым в SCADA для сбора данных, которое может размещаться в непосредственной близости от контролируемых технологических установок, что обеспечивает минимальную длину соединительных линий от первичных преобразователей. Все сигналы каналов ввода преобразуются в цифровой формат и передаются в удаленный центр управления через одну линию связи.

В тех случаях, когда необходимо передать в удаленное место большое количество переменных, целесообразно подключить все входные сигналы от первичных преобразователей к установленному в непосредственной близости от них в полевой зоне мультиплексору и передавать все данные в операторскую через одну коммуникационную линию — вместо того чтобы передавать каждую переменную по отдельной линии. Даже в тех случаях, когда имеется возможность проложить большое количество кабельных каналов, экономия только на стоимости кабелей оправдывает использование мультиплексоров. Кроме того, обеспечивается более простое подключение кабелей в диспетчерской за счет сокращения большого количества кабельных линий.

В АСУ ТП, работающих во взрывоопасных зонах, каждый сигнальный канал должен быть защищен от риска возгорания легковоспламеняющихся смесей. Это требует применения барьера искрозащиты для каждого входного канала.

При использовании мультиплексора защита должна применяться только для коммуникационных линий. Это снижает сложность системы сбора данных, ее стоимость и обслуживание. Мультиплексор является единственным приемлемым решением в случае реконструкции технологической установки, когда возможности прокладки дополнительных кабельных каналов ограничены. Поэтому в таком случае применение мультиплексоров является единственным возможным решением.

Как работает мультиплексор

Мультиплексор по очереди подключает с помощью полупровод­никовых переключателей каждый входной канал к внутренней измерительной схеме и преобразует входной сигнал с помощью АЦП в цифровую форму. Эта цифровая величина обрабатывается микропроцессором, преобразуется в цифровые данные, представляемые в инженерных единицах, соответствующих природе контролируемого параметра технологического процесса, и сохраняется в буферной памяти.

Мультиплексор также маркирует каждую переменную для целей идентификации каналов и диагностики, чтобы выявлять аварийные ситуации, выход параметров за допустимые пределы, возникновение ошибок в данных и т. п. По команде все данные из буферной памяти передаются в цифровом формате через последовательный коммуникационный интерфейс и соединительную линию в центр управления (диспетчерскую).

Искробезопасная мультиплексорная система D2000M

Компания G.M. International (Италия), известный разработчик и производитель барьеров искрозащиты [1] и другого взрывобезопасного оборудования, предлагает искробезопасную мультиплексорную систему D2000M.

D2000M состоит из модулей, предназначенных для приема и обработки аналоговых и цифровых сигналов от датчиков, установленных во взрывоопасной зоне, и передаче преобразованной в цифровой вид информации через искробезопасную резервированную шину на шлюз, находящийся в безопасной зоне, который, в свою очередь, через резервированную коммуникационную линию Modbus подключается к ПЛК, распределенной системе управления (РСУ) или ПК. Кроме этого, сигналы от цифровых входов могут передаваться в безопасную зону и преобразовываться в релейные или транзисторные выходы (открытый коллектор). Архитектура системы представлена на блок-схеме (рис. 1).

Рис.1. Архитектура искробезопасной мультиплексорной системы D2000M

Полевые модули могут быть аналоговыми или цифровыми. К каждому аналоговому модулю можно подключить до трех модулей расширения, чтобы увеличить количество входов. В системе можно использовать до четырех цифровых выходных повторителей. Они обеспечивают повторение состояния цифровых входов в безопасной зоне.

Искробезопасная мультиплексорная система (таблица 1) может состоять от одного до четырех аналого-температурных мультиплексорных модулей D2010M, до 12 модулей расширения D2011M или до четырех модулей цифровых мультиплексоров D2030M, размещаемых во взрывоопасных зонах 1 или 2 газовых групп IIC T4, которые подключаются через двухпроводную одиночную или дублированную линию, используемую для передачи информации и подачи питания к модулю шлюза Modbus D2050M, установленному в безопасной зоне и подключенному к ПЛК, РСУ или ПК.

Основные характеристики системы

• Высокая плотность каналов — до 256 аналоговых входов (ТП, ТС, мВ, мА, Ом (резистивный) от D2010M) и до 128 цифровых входов (контактные, бесконтактные датчики от D2030M) в одной системе (возможность расширения до 7936 аналоговых входов или 3968 дискретных входов каскадным включением многочисленных модулей шлюзов D2050M через шину Modbus.
• Надежная гальваническая изоляция (±200 В между каналами) обеспечивает высокую устойчивость к воздействию помех и токов в контурах заземления.
• Обработка сигналов от оборудования, установленного во взрывоопасных зонах классов 0, 1 и 2.
• Может устанавливаться во взрывоопасных зонах классов 1 и 2.
• Полевые модули могут размещаться на расстоянии до 5 км от шлюза.
• Высокоточный 18-разрядный АЦП.
• Резервированная линия коммуникации и подачи питания.
• Программирование через ПК (RS232) и Modbus (RS485).
• Полевые модули имеют диапазон рабочих температур –40…+60 °C; диапазон температур хранения –46…+80 °C.

Ниже кратко рассмотрены характеристики каждого из модулей.

Искробезопасный аналого-температурный мультиплексор D2010M

16-канальный модуль искробезопасного аналого-температурного мультиплексора D2010M состоит из пластиковой оболочки, внутри которой расположена печатная плата, предназначенная для установки на DIN-рейку. На передней панели расположены клеммы для подключения искробезопасных электрических цепей и устройства сигнализации состояния — светодиоды. Модуль обеспечивает гальваническое разделение различных искробезопасных цепей и передачу данных от датчиков к шлюзу D2050M по полевой шине.

Внешний вид конструкции модуля D2010M показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид модуля аналогового ввода D2010M

В состав модуля D2010M входят двойной источник питания, узел управления, высокоточный 18-разрядный АЦП интегрирующего типа и 16-канальный мультиплексор с уровнем гальванической изоляции до 200 В (испытательное напряжение) для входов мВ или термопар и 60 В (испытательное напряжение) для входов резистивных датчиков и термометров сопротивления.

Подключение термометров сопротивления может выполняться по двух-, трех- или четырехпроводной схеме. Во всех случаях, за исключением двухпроводного подключения, предусмотрена компенсация сопротивления соединительной линии.

Программирование модулей осуществляется через шлюз D2050M и предоставляет возможность выбора индивидуального датчика для каждого канала, включая дополнительные операционные функции.

Высокоточный АЦП выполняет прецизионное преобразование в цифровую форму аналоговых сигналов от подключенных датчиков.

Модуль D2010M предназначен для работы с сигналами от источника мВ-сигнала, термопарами типов A1, A2, A3, B, E, J, K, L DIN, L ГОСТ, N, R, S, S ГОСТ, T, U, а также трех- и четырехпроводными термометрами сопротивления Pt100, Pt50, Cu100, Cu53, Cu50, Cu46 (ГОСТ); токовыми сигналами мА-диапазона.

Предусмотрена возможность выбора режимов при обрыве термопар или мВ-источников (burnout). Контроль входных линий на предмет обрыва осуществляется с помощью специальной схемы, обеспечивающей контроль целостности входного кабеля без ухудшения точности измерений. Контроль осуществляется на каждом цикле опроса входного датчика.
Измеренное значение входного параметра передается на шлюз только в том случае, если проверка подтвердила исправность датчика. В противном случае передается сигнал ошибки.

Во всех случаях в каждом из каналов может быть включена функция фильтрации, обеспечивающая снижение случайных флуктуаций измеряемых значений и увеличение времени усреднения.

Время, необходимое для сканирования всех входов, не зависит от конфигурации подключения датчиков, а определяется только количеством подключенных входных модулей расширения (таблица 2).

Подключение

Модуль D2010M подключается к системному шлюзу D2050M с помощью одинарной или дублированной кабельной линии, удовлетворяющей требованиям концепции искробезопасной системы полевой шины FISCO (Fieldbus intrinsically safe concept), которая устанавливает требования к искробезопасной системе полевой шины и невоспламеняющейся системе полевой шины (ГОСТ Р 52350.27-2005).

Топология подключения шинного типа — со шлюзом, включенным на одном конце кабеля. Однако к узлу можно подключать более одного устройства, используя для этого соединения ограниченной длины.

Для увеличения количества входов к модулю D2010M могут подключаться с помощью плоского кабеля модули расширения D2011M. На рис. 3 представлена функциональная схема модуля аналого-температурного мультиплексора D2010M.

Рис. 3. Функциональная схема искробезопасного аналого-температурного мультиплексора D2010M

Модуль расширения для аналого-температурного мультиплексора D2011M

Модули расширения D2011M используются для увеличения количества аналоговых входов, обслуживаемых модулем D2010M, группами по 16 входов. К каждому модулю D2010M можно подключить до трех модулей расширения, обеспечив при этом 64 входных канала. Каждый модуль D2010M может быть оснащен необходимым количеством модулей расширения, при этом каждый вход может программироваться индивидуально.

Модуль расширения D2011M подключается к D2010M с помощью плоского кабеля; подобным же образом соединяются шлейфом между собой соседние модули D2011M. Функциональная схема модуля D2011M представлена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональная схема модуля расширения для аналого-температурного мультиплексора D2011M

Искробезопасный цифровой мультиплексор D2030M

Модуль цифрового входа D2030M представляет собой систему сбора данных, размещаемую во взрывоопасной зоне. Внешний вид модуля D2030M показан на рис. 5. Он подключается с помощью одинарной или дублированной линии к шлюзу D2050M, находящемуся в безопасной зоне, через который передает сигнал в безопасную зону и получает питание. Модуль D2030M имеет 32 входа для подключения контактных («сухой» контакт) и бесконтактных датчиков (проксимиторов).

Рис. 5. Внешний вид искробезопасного цифрового мультиплексора D2030M

При сканировании входов на каждый датчик подается питание на определенный, программируемый отрезок времени, определяется его статус (ВКЛ/ВЫКЛ), и затем питание отключается. Это время программируется для каждого канала независимо.

Модули являются искробезопасными, допускается установка их во взрывоопасных зонах классов 1, 2, газовой группы IIC T4.

Модули цифровых входов предназначены для передачи из опасной зоны данных о статусе бесконтактных переключателей NAMUR (стандарт EN60947-5-6) или переключателей с «сухими» контактами.

Модуль D2030M состоит из двойного источника питания, блока управления, аналого-цифрового преобразователя и 32-канального мультиплексора. Программирование модуля осуществляется через шлюз D2050M и позволяет индивидуально для каждого канала выбирать время подачи питания и режим работы системы обнаружения неисправностей. Четыре модуля D2030M вместе с одним шлюзом D2050M обеспечивают 128 входов. Резервирование коммуникаций и питания обеспечивается за счет использования двух дублирующих друг друга линий.

Параметры безопасности соответствуют газовой группе IIC даже при резервировании коммуникационных линий.

Функциональная схема модуля D2030M представлена на рис. 6.

Рис. 6. Функциональная схема модуля искробезопасного цифрового мультиплексора D2030M

Модуль D2050M — шлюз и источник питания для мультиплексоров серии D2000M

Модуль питания и межсетевого шлюза D2050M, устанавливаемый в безопасной зоне, обеспечивает искробезопасность двухпровод­ных полевых коммуникационных линий и обеспечивает питанием модули аналоговых входов D2010, модули расширения D2011 и модули цифровых входов D2030, находящихся во взрывоопасной зоне, в непосредственной близости от датчиков.

Шлюз D2050M управляет полевыми модулями и передает собираемые ими данные на находящиеся в безопасной зоне ПЛК, РСУ, ПК или другие устройства. Для этого используется одинарная или дублированная коммуникационная линия. Шлюз обеспечивает диагностику линий на предмет короткого замыкания или обрыва.

Резервированная линия Modbus обеспечивает подключение шлюза к РСУ, ПЛК или ПК со скоростью передачи до 115200 бит/с. Независимая линия RS232 используется для программирования полевых модулей.

Один модуль шлюза D2050M может обслуживать до 256 аналоговых каналов или до 128 цифровых каналов, используя одинарную или дублированную коммуникационную линию. К модулю D2050M также можно подключить до четырех выходных повторителей D2052M или D2053M, которые в безопасной зоне повторяют состояние контактных датчиков, находящихся в опасной зоне. Функциональная схема модуля D2050M показана на рис. 7.

Рис. 7. Функциональная схема модуля D2050M

Управление линиями связи (полевыми коммуникациями)

Модуль шлюза D2050M имеет встроенную систему управления для контроля полевых коммуникационных линий. Это обеспечивает эффективность и безопасность коммуникаций и позволяет исключить загрузку управляющего компьютера задачами контроля за обнаружением нарушений и восстановлением функционирования коммуникационных линий, особенно когда применяется резервирование этих линий. В случае использования одинарной линии возможность восстановления коммуникации отсутствует, существует только возможность передачи сигнала о повреждении линии.

Если используются дублированные линии, существует несколько вариантов управления ими:

• Когда обе линии подключены и работоспособны, система переключает их в определенной последовательности, это осуществляется для того, чтобы контролировать правильность их функционирования.
• При обнаружении ошибки проводится повторная проверка, чтобы убедиться, что ошибка была не случайной (например, обусловлена помехой).
• Если повторная проверка подтверждает наличие ошибки, шлюз признает линию неисправной или ненадежной. Затем он переходит в режим восстановления, переключается на вторую, исправную линию и передает сигнал о неисправности.

После устранения неисправности линии, по команде программы или после перезагрузки системы восстанавливается исходный режим работы.

Распределение выходных повторителей

Повторители состояния контактных датчиков обоих типов D2052M /D2053M управляются шлюзом одинаково. На рис. 8 показаны внешние виды конструкций плат модулей D2052M (a) и D2053M (б). Каждый повторитель может быть закреплен за любым цифровым модулем D2030M. Возможно закрепление нескольких (до четырех) повторителей D2052/D2053M за любым модулем D2030M. Это осуществляется программным путем через сервисный порт RS232. Поэтому пользователь имеет доступ к информации о каждом входном модуле, независимо от того, повторяются все или только часть входов модуля или вообще не повторяются.

Рис. 8. Внешний вид: а) релейного повторителя состояния входов цифрового мультиплексора D2052M; б) транзисторного повторителя состояния входов цифрового мультиплексора D2053M

Корпуса серии GM2300 для монтажа полевых модулей

Корпуса серии GM2300 (таблица 3), предназна­ченные для использования в полевых условиях, обеспечивают защиту модулей мультплексорной системы от воздействий агрессивной среды. Они могут устанавливаться во взрывоопасных зонах классов 1 и 2. Корпуса вмещают до четырех модулей серии D2000 и оборудованы соответствующими кабельными вводами для полевых и коммуникационных кабелей. Типы кабельных вводов, их размер и материал могут выбираться заказчиками в соответствии с их конкретными потребностями. Все модели корпусов снабжены внутренней стальной панелью и DIN-рейкой для монтажа модулей системы D2000M. Как опция возможна комплектация обогревающим кабелем и термостатом в исполнении «d». Для этих корпусов необходима клеммная коробка в исполнении «e» для подключения питания обогревающего кабеля 220 В переменного тока. Внешний вид корпуса GM2300M с установленными модулями D2010M представлен на рис. 9.

Рис. 9. Корпус GM2330-SS-68-NB-M20 с установленными четырьмя модулями серии D2000M

Заключение

Представленные аналого-цифро­вые мультиплексоры серии D2000M, предназначенные для приема и обработки аналоговых и цифровых сигналов от датчиков и передачи преобразованной в цифровой вид информации через искробезопасную резервированную шину во вторичную аппаратуру, позволяют уменьшить сложность системы сбора данных, ее стоимость и затраты на обслуживание при наличии большого количества сигнальных каналов в системе. На основании сертификационных испытаний системы D2000M фирме G.M. International s.r.l. выдан сертификат № РОСС. IT. ME92.B02215, а Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору оформлено Разрешение на применение оборудования на опасных производственных объектах Российской Федерации согласно маркировке взрывозащиты. В таблице 4 представлены параметры искробезопасных цепей компонентов системы D2000M.

Примечание: Модули D2050M предназначены только для подключения к ним модулей D2010M, D2011M и D2030M. Максимальная длина соединительного кабеля между модулем D2050M и D2010M/D2011M/D2030M не должна превышать 60 м, при этом суммарная длина всех жил кабеля не должна превышать 1000 м.

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии оформило Свидетельство об утверждении типа средств измерений для модулей измерительных аналого-цифровых серии D2000M. Интервал между поверками составляет два года; поверка проводится согласно методике поверки МП 2064-0045-2010 [3].