Недорогая искробезопасная шина преобразователя
Существует возможность создания недорогой, искро безопасной шины преобразователя с открытым стандартом на базе технологии сетевого интерфейса контроллеров IEEE P1451.6 в сочетании с энергоэкономичной биполярной и КМОП электроникой и с профилями устройства CANopen.
Развитие анализаторов в течение последних десятилетий привело к созданию сложных химических датчиков и автоматизированных приборов, которые в целях интеграции в системы управления реального времени были перенесены из лаборатории на производственные участки. Однако конструкции интерфейсных блоков аналитических систем, обеспечивающих взятие пробы и ее предварительную обработку, на протяжении многих лет не совершенствовались, это относится и к интерфейсу интеграции.
Компоненты модульной платформы (MPC) состоят из слоя элементов, смонтированных на поверхности, таких, как клапаны, фильтры и адаптеры. Далее следует слой подложки, обеспечивающий путь протекания жидкости между этими элементами. Следующий — коллекторный слой для пути протекания жидкости между двумя или большим числом параллельных подложек. Фото любезно предоставлено Swagelok Co.
Радикальный пересмотр конструкции системы отбора и обработки пробы анализатора на симпозиуме ISA в 1999 году был назван New Sampling/Sensor Initiative или NeSSI. Консорциум пользователей, производителей и ученых, работающий под эгидой Центра аналитической химии процессов (CPAC) в университете Вашингтона, разработал внешний вид и спецификации для систем NeSSI. Они включают миниатюрные модульные компоненты для отбора проб, интеллектуальные преобразователи, возможность монтажа на месте отбора пробы в потенциально взрывоопасной среде и простую интеграцию с производственными системами управления.
Спецификацией NeSSI определены два интерфейсных «канала», позволяющих упростить интеграцию системы. Канал для жидкости обеспечивает модульность за счет предоставления стандартного интерфейса для соединения потоков между устройствами. Канал шины NeSSI дает возможность использовать интеллектуальный преобразователь и устанавливать оборудование на месте с помощью искробезопасной подачи питания и цифровой связи между компонентами интеллектуальной системы пробоотбора, анализатором и системой управления процессом.
Для питания всех 20 устройств и обеспечения 19 одновременных доминантных бит требуется только 128 мА. Фото любезно предоставлено Texas Instruments
В августе 2002 г. посадочное место компонента NeSSI размером 1,5 кв. дюйма для канала жидкости было принято в составе стандарта ANSI/ISA 76.00.02. Этот стандарт определяет свойства и физические размеры монтируемых на поверхности компонентов для распределения жидкости. При помощи этого канала осуществляется регулирование размеров и положения уплотняющих поверхностей при замене элемента системы без модификации всей системы, что значительно упрощает конструкцию и обслуживание.
Принятие стандарта ANSI/ISA 76.00.02 привело к появлению миниатюрных модульных систем пробоотбора, которые называются NeSSI Generation I. Так, например, компоненты модульной платформы (MPC) состоят из слоя с монтажом на поверхности, включающего такие детали, как клапаны, фильтры и адаптеры. Далее следует слой подложки, который обеспечивает путь для потока между компонентами, смонтированными на поверхности. Последний, коллекторный слой служит для создания пути протекания между двумя или большим числом параллельных подложек.
После этого консорциум NeSSI перенес внимание на канал шины, опубликовав спецификацию NeSSI Generation
II. Эта спецификация побуждает к замене традиционных ротаметров, расходомеров и измерительных клапанов с ручным управлением, использующихся в системах отбора проб, интеллектуальными датчиками давления, температуры и потока, которые являются автоматизированными и обладают возможностями автоматического подключения (plug-and-play). Новые датчики могли бы следить за процессом отбора и подготовки проб, а ими, в свою очередь, могло бы управлять соответствующее семейство интеллектуальных клапанов. Консорциум определил искробезо-пасную шину преобразователя в качестве ключевой технологии для NeSSI Gen II. Она, несомненно, будет внедрена, поскольку ожидается, что большое количество систем NeSSI будет установлено на нефтеперегонных предприятиях и предприятиях химической промышленности, для которых характерны взрывоопасные условия. К сожалению, принятие стандарта искробезопасной шины NeSSI, в отличие от принятия стандарта канала жидкости, происходит не так быстро.
Дилемма при выборе шины
На первый взгляд кажется, что при выборе искробезопасной шины преобразователя с открытым стандартом должны рассматриваться такие протоколы, как FOUNDATION fieldbus, Profi-bus PA, HART или ControlNet. Однако, по мнению консорциума NeSSI, вследствие проблем, связанных с архитектурой, размером и ценой, ни одна из этих шин не подходит полностью к тем видам интеллектуальных устройств, которыми будет оснащена система NeSSI Gen II.
Так, в частности, искробезопасные шины не соответствуют конструкции устройств NeSSI с точки зрения архитектуры. Искробезопасные шины обычно сконструированы так, чтобы поддерживать работу нескольких сложных устройств на больших расстояниях (например, 1,9 км для полевой шины FOUNDATION) с помощью обмена множеством сообщений. Однако компоненты NeSSI Gen II представляют собой простые датчики и исполнительные устройства, которые поддерживают базовую конфигурацию и диагностические функции. Поэтому для их работы необходима менее сложная связь (связь между устройствами NeSSI осуществляется с помощью локального контроллера, обычно удаленного на расстояние не более 10 м).
Если говорить о размерах, то посадочное место ANSI/ISA 76.00.02 в 1,5 кв. дюйма накладывает серьезное ограничение на объем электроники, которая может быть помещена в корпус устройства NeSSI Gen II. Для основных искробе-зопасных шин, за исключением HART, требуется, как минимум, относительно мощный микроконтроллер, специализированная ИС контроллера протокола, интерфейс шины и схемы формирователей. Размер и количество необходимых электрических компонентов, в лучшем случае, делает затруднительным размещение искробезопасной шины вместе со схемой ввода/вывода (I/O), соединителями и другой разнообразной электроникой в конструктиве NeSSI.
И, наконец, по сравнению с устройствами NeSSI, относительная стоимость искробезопасных шин довольно высока. Искробезопасные шины были разработаны для использования в более крупных клапанах управления процессом и в передатчиках, где технология шины составляет часть общей стоимости устройства. Устройства NeSSI стоят обычно значительно меньше, чем клапаны или передатчики, поэтому цена такого интеллектуального устройства при использовании одной из искробезопасных шин будет намного больше цены аналогичного несетевого устройства.
Отрасли производства, в которых не используются аналитические методы анализа технологических процессов (производство полупроводников, бытовой электроники, автомобилей), обычно применяют более простые и менее дорогостоящие шины, такие, как USB и CAN (сеть контроллеров). Однако эти шины не являются искробезопасными.
Спецификации физического уровня P1451 IEEE.6 | ||
Параметр | Величина | Единицы измерения |
Длина шины | 10 | м |
Напряжение (Uo) | 9,5 | В постоянного тока |
Ток (Io) | 1000 | мА |
Емкость (Co) | 500 | нФ |
Индуктивность (Lo) | 8 | мкГн |
Узлы | 127 | Адреса |
Соединитель- M12 | 5 | Цепи |
Скорость | 125 | Кбит/с |
CAN рецессивный бит | 8 | мА |
CAN доминантный бит | 25 | мА |
Источник: информация Control Engineering от Swagelok, Texas Instruments, CAN in Automation и IXXAT. |
Оказавшись перед выбором, пользователи были вынуждены решать дилемму шины на основе технологии NeSSI: сделать ли одну из искробезопасных шин проще, меньше и дешевле или же сделать одну из более простых, недорогих и менее габаритных шин искробезопасной?
Техническое решение
На семинаре NeSSI, проводившемся Национальным институтом стандартов и технологии (NIST) летом 2003 г., взялись за решение этой проблемы, определив протокол CANopen как потенциально искробезопасную шину для управления устройствами NeSSI Gen II. В это же самое время был подготовлен проект IEEE P1451.6, целью которого было согласовать электронные таблицы преобразователя (TEDS) стандарта интерфейса интеллектуального преобразователя семейства IEEE 1451 со стандартным профилем устройства CANopen (DS 404), который находится под эгидой CAN in Automation (CiA). Согласование TEDS и профиля устройства DS 404 облегчает взаимодействие устройств IEEE 1451 и CANopen, предоставляя пользователям большую возможность выбора совместимых полевых устройств.
Основное преимущество IEEE P1451.6 состоит в предоставлении метода открытого стандарта, с помощью которого производители преобразователей и автоматических регуляторов могут предложить стандартные многоканальные устройства с технологией plug-and-play для экономичных сетей датчиков и исполнительных устройств. CANopen упрощает связь между устройствами, поскольку предоставляется гибкий и удобный метод разработки решений автоматизации на базе шины CAN.
В эталонной модели ISO взаимодействия открытых систем (OSI) CAN выполняет функции как физического уровня (уровень 1), так и канального уровня (уровень 2). CANopen (уровень 7) поддерживает прикладной уровень. Уровни OSI с 3 по 6 в CAN не используются. В дополнение к CANopen предопределенные интерфейсы описаны в так называемых «профилях устройств» специфических для каждого вида устройств (например, давление и температура) и промышленных стандартов.
Члены CiA разработали профили устройств, которые определяют способы соединения преобразователей и автоматических регуляторов в сеть с автоматическим подключением на прикладном уровне. Один из профилей, CiA DS 404 V1.2 (профиль устройства CANopen для измерительных устройств и автоматических регуляторов), проходил испытания и проверку на протяжении более 10 лет. Такие профили устройств CANopen, как DS 404 V1.2, описывают блоки для измерения или автоматического регулирования различных физических параметров. В них используются описания функциональных блоков, включая аналоговые и цифровые входы, аналоговые и цифровые выходы, контроллер, тревогу и устройство, то есть все, что можно объединить с целью создания реальных устройств. После конфигурации устройства могут выполнять задачи измерения или управления без дополнительной связи с хост-системой в реальном времени. Контуры регулирования реализуются в устройствах управления.
CiA передала IEEE права на использование DS 404 V1.2 в спецификации P1451.6, добавив к ним определение искробезопасности в целях соответствия новым требованиям. Поскольку существующие преобразователи и автоматические регуляторы отвечают дополнительным требованиям искробезопасности, они без труда будут устанавливаться в устройствах NeSSI Gen II.
В качестве дополнения стандарт IEEE P1451.6 распространяет требования искробезопасности на сети NeSSI. Сначала тщательно проверяется соответствие схем связи и управления малой мощности физическим требованиям. Затем применяется BiCMOS-технология 3,3 В (биполярная КМОП) с низким энергопотреблением от Texas Instruments, что обеспечивает техническую осуществимость искробезопасной шины NeSSI.
В технологии BiCMOS используется электроника CAN с низким энергопотреблением, что делает ее пригодной для искробезопасных приложений. КМОП — это технология на основе напряжения, когда требуется очень низкий ток покоя для поддержания рабочих точек в стационарном состоянии (для питания CAN-преобразователя SN65HVD233 необходимо всего 3,3 В, а КМОП-транзисторы обеспечивают низковольтные выходы с большим током). Это не характерно для других биполярных технологий, где транзисторы работают в токовом режиме и требуется большой ток покоя для поддержания рабочих точек.
В системе NeSSI устройства, объединенные сетью, сгруппированы на небольшой площади, обычно меньше 1 кв. метра, и чаще всего расположены на расстоянии не более 10 метров от безопасной области. В консорциуме NeSSI понимают, что небольшая физическая протяженность сети означает, что стандартное напряжение шины 24 В постоянного тока, необходимое для передачи сигналов на расстояние в милю и более, может быть значительно снижено. Малая длина шины NeSSI делает возможной работу при напряжении 10 В. Это позволяет в пять раз снизить энергопотребление и одновременно поддерживать на должном уровне безопасность эксплуатации. Физические уровни IEEE P1451.6 показаны в соответствующей таблице.
В обычном искробе-зопасном приложении IEEE P14 51.6 в одной системе размещается 20 узлов. Наихудший вариант потребления тока имеет место в случае, когда 19 узлов отвечают I ACK-битом на сообщение от 20-го узла. Как показано на фото, для питания всех 20 устройств и обеспечения 19 одновременных доминантных бит требуется только 128 мА. Это составляет примерно одну треть от мощности, необходимой для выполнения аналогичной задачи при использовании преобразователя CAN с напряжением 5 В. В случае, когда приемопередатчик не задействован, он потребляет чрезвычайно малый ток покоя, таким образом, основная часть мощности может расходоваться на диагностику и управление.
BiCMOS — транзисторы также обеспечивают короткое время задержки распространения сигнала и стабильность рабочих точек для регулирования напряжения синфазного сигнала и подавления шума. Подавление синфазного шума в приемопередатчике CAN имеет большое значение для передачи безошибочных данных и для сокращения количества случаев необнаруженных ошибок, которые могут привести к критическому отказу. Кроме того, дифференциальные схемы КМОП создают меньше помех по сравнению с технологиями однопроводной связи.
Дорожная карта продуктов и рынков IEEE P1451.6 | |
Разрабатывается | Прототип IEEE P1451.6, использующий IEEE P1451.6 TEDS и искробезопасное оборудование. Первая действующая установка интерфейса IEEE P1451.6, работающего в многоканальном преобразователе в соответствии с обновленной спецификацией шины NeSSI. |
Планируется | Разработка процедуры проверки преобразователя на соответствие требованиям искробезопасности. Разработка стандартных ведомых устройств с интерфейсом IEEE P1451.6, таких, как модули ввода/вывода, приводы клапанов, насосы и двигатели. Разработка управляющих узлов, таких, как устройство управления датчиком и приводом (SAM) для шины NeSSI, ПЛК, DSC и других ведущих регуляторов. |
На будущее | Разработка специфических «Профилей применения» (например, для фармацевтического производства), где знание специфики применения является частью стандартного протокола связи. |
Источник: Control Engineering с информацией от Swagelok, Texas Instruments, CAN in Automation и IXXAT.
Что же дальше?
Консорциум NeSSI уже подготовил определенные положения в спецификации Generation II, что позволяет принять и рекомендовать такие новые стандарты, как IEEE P1451.6, для внедрения искробезопасного пробоотбора (см. таблицу «Дорожная карта продуктов и рынков IEEE P1451.6»).
Кроме химических и нефтехимических производств для искробезопасных систем, существуют и другие возможности, где уже внедрены средства связи CANopen. Одним из примеров является роботизированная камера покраски в автомобильной промышленности. Для работы на этом и других рынках стандарт IEEE P1451.6 может быть расширен для усиления «Профиля применения» CANopen как стандарта plug-and-play, разработанного специально для конкретной отрасли промышленности.