Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

но и мультимедийные потоки в автоматизированной системе управления предприятием в целом.

Надежды в решении задач передачи и обработки таких потоков возлагаются как на высокоскоростные проводные Ethernetсети, так и на беспроводные сети Wireless Ethernet.

Идея отказа от проводов выглядит очень привлекательно. Попутно могут быть решены проблемы, связанные с заменой части проводки уже внедренных промышленных сетей. Дело в том, что проводные узлы и кабели могут медленно разрушаться, например, под влиянием химического воздействия. Их повторная прокладка очень трудоемка и требует больших финансовых затрат.

Однако пока беспроводные решения играют второстепенную роль в АСУ ТП. Они не удовлетворяют ряду перечисленных требований, в частности по надежности передачи данных.

Немаловажно и то, что фирмы-производители не торопятся менять традиционную архитектуру построения проводных промышленных сетей. Над созданием протоколов и стандартов для этих сетей трудились многие институты и организации по стандартизации, в эти разработки вложены немалые финансовые средства. На данный момент интерес фирм-производителей к беспроводной связи скорее обозначен полевым уровнем. Их усилия направлены на создание беспроводных сенсорных сетей, которые могли бы с помощью промышленных шлюзов подключаться к полевой шине или к Industrial Ethernet.

Существующие технологии беспроводной связи заметно различаются по скорости передачи данных, дальности действия, сложности и стоимости.

В 2003 году был разработан стандарт IEEE 802.15.4 LR PAN (Low rate personal area Network) для низкоскоростных персональных сетей с малым энергопотреблением. Этот стандарт описывает физический и канальный уровни со скоростью обмена данными до 250 Кбит/с и топологии построения радиосети «звезда», «точка-точка», mesh. Он является основой построения большин-

201

ства беспроводных сенсорных сетей с пересылкой данных. И в первую очередь этот стандарт может быть востребован в сетях промышленной автоматики, поскольку полевые шины АСУ ТП, как правило, являются низкоскоростными. На полевом уровне предпочтительны беспроводные самоорганизующиеся mesh-сети, так как они обеспечивают надежность передачи данных, которая требуется в сетях АСУ ТП.

Кчислу беспроводных сенсорных технологий, основанных на IEEE 802.15.4, относятся стандарты ZigBee общего назначения, Wireless Hart (продукт компании Hart Communication Foundation)

промышленного назначения, а также закрытые платформы Eaton PSR фирмы Eaton Corporation промышленного и офисного назначения и EmberNet фирмы Ember промышленного использования. Последние две технологии представляют собой закрытые и запатентованные решения и поэтому не получили широкого распространения.

Вместе с тем фирма Ember разработала новую спецификацию EmberZNet, которая несовместима с ранней версией EmberNet, но стала общедоступной спецификацией альянса ZigBee.

Множество фирм, входящих в альянс ZigBee, уже серийно выпускают устройства для беспроводных сенсорных сетей. Среди них такие ведущие компании-изготовители Digi International (MaxStream), Telegesis, Texas Instruments (Chipcon), Meshnetics, SiLab (Helicomm), FreeScale, Ember, Jennic и др.

Ксожалению, в настоящее время рынок беспроводных сенсорных технологий ZigBee предлагает не готовые решения для самоорганизующихся радиосетей, а лишь отладочные комплекты (development kit) для последующей доработки в части подключения к ним датчиков. Комплекты включают в себя платы для удаленных узлов и модули (радиочип и микроконтроллер).

Для стыковки конкретного датчика с беспроводным узлом необходимы определенные навыки, инженерный опыт и, следовательно, дополнительные финансовые затраты. Поэтому рано го-

202

ворить о технологии ZigBee как об общедоступной, дешевой и простой с точки зрения организации беспроводных сенсорных сетей для промышленности.

Еще одна перспективная беспроводная сенсорная технология – Wireless HART. Он имеет стек протоколов верхнего уровня, который совместим с промышленными протоколами HART и ModBus-RTU. Благодаря этому беспроводные сенсорные сети Wireless Hart можно подключать к шинам HART и ModBus-RTU, а

также к Industrial Ethernet.

По классификации оборудования в зависимости от важности обрабатываемых данных Wireless HART соответствует классам 5-1, т. е. здесь гарантируется надежность по обмену информацией, связанной непосредственно с управлением технологическим процессом АСУ ТП.

Основной недостаток Wireless Hart в том, что он поддерживает лишь промышленные шины HART и ModBus. Поэтому важной задачей остается создание единого стандарта, который должен обеспечить совместимость широко используемых в АСУ ТП промышленных сетей, таких как Fieldbus, Profibus, Hart и др. Такой стандарт позволит упростить установку оконечных измерительных устройств, на полевом уровне заменить проводные решения беспроводными, внедрить мощные средства защиты для обеспечения целостности сети, решить вопрос о совместимости разнообразных сетей промышленной автоматики как на полевом уровне, так и на уровне Industrial Ethernet.

Таким образом, сегодня интересы крупных промышленных компаний – производителей средств АСУ ТП – сосредоточены на низкоскоростных беспроводных технологиях малой дальности. Эти технологии разрабатывают комитет ISA, занимающийся стандартизацией беспроводных систем для автоматики (ISA’s

Wireless Systems for Automation standards committee), а также ко-

митеты Zigbee и Wireless Hart.

203

Для решения задач комплексной автоматизации как внутри промышленных предприятий, так и далеко за их пределами понадобятся более скоростные беспроводные технологии.

Таким образом, процесс внедрения беспроводных технологий в системы промышленной автоматики только начался. Работа в этом направлении ведется, но какие именно решения окажутся наиболее эффективными, покажет будущее.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение понятия «промышленная шина».

2.Опишите условия эксплуатации промышленных шин.

3.Каковы принципы построения промышленной сети?

4.Опишите трехуровневую систему промышленных АСУ ТП.

5.Каковы промышленные стандарты сетей?

6.Какова технология беспроводной передачи данных?

7.В чем заключаются преимущества беспроводной передачи данных?

204

13. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

13.1. Классификация исполнительных устройств

Исполнительные устройства (ИУ) промышленных систем ав-

томатики представляют собой технические средства, предназначенные для формирования регулирующих воздействий y(t) на входах объекта управления в соответствии с командной информацией z(t), подаваемой на его вход от командных устройств (регулятора, ручного дистанционного задатчика, микроконтроллера и т.п.).

Основными блоками ИУ являются исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО), которые либо конструктивно объединяются в едином изделий, либо собираются из индивидуальных блоков. В некоторых случаях ИУ может состоять из одного блока, выполняющего функции исполнительного механизма (например, в электрических усилителях мощности).

Под исполнительным механизмом в общем случае подразумевают блок ИУ, преобразующий входной управляющий сигнал z(t) от регулирующего устройства в сигнал σ(t), который через соответствующую связь (например, редуктор) осуществляет воздействие на регулирующий орган или непосредственно на объект регулирования.

Регулирующим органом называют блок ИУ, с помощью которого производится регулирующее воздействие y(t) на объект. Кроме исполнительного механизма и регулирующего органа ИУ содержит ряд дополнительных блоков, назначение и способ подключения которых ясны из блок-схемы, изображенной на рис. 13.1.

Одной из основных характеристик ИУ является величина перестановочного усилия (момента), передаваемого выходным ор-

205

ганом исполнительного механизма на регулирующий орган. Эта величина обычно указывается в паспорте и является основной при энергетическом расчете и выборе ИУ.

Рис. 13.1. Блок-схема исполнительного устройства

По виду энергии, создающей перестановочное усилие, исполнительные механизмы подразделяются на пневматические, гидравлические, электрические.

Существуют ИМ, которые используют элементы, действующие от разных (обычно двух) источников энергии: электропневматические, электрогидравлические и пневмогидравлические. Среди них наиболее распространены электрогидравлические ИМ, Вид энергии управляющего сигнала может отличаться от вида энергии, создающей перестановочное усилие.

Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях. Однако они имеют недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности.

206

В пневматических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления сжатого воздуха на мембрану, поршень или сильфон. В соответствии с этим выделяют мембранные, поршневые и сильфонные ИМ. Давление сжатого воздуха в них обычно не превышает 1 МПа.

Входным сигналом пневматических ИМ является давление сжатого воздуха, которое, воздействуя на мембрану, создает усилие

F = Sэф (Рu–Р0),

где Pu – управляющее давление; Р0 – начальное давление, при котором создается движение плунжера; Sэф – эффективная площадь мембраны.

В гидравлических ИМ перестановочное усилие создается за счет действия давления жидкости на мембрану, поршень или лопасть. В соответствий с этим различают мембранные, поршневые и лопастные гидравлические ИМ. Давление жидкости в них обычно находится в пределах 2,5…20 МПа. Отдельный подкласс гидравлических ИУ составляют ИУ с гидромуфтами.

Пневматические и гидравлические мембранные или поршневые ИМ подразделяются на пружинные и беспружинные. В пружинных ИМ перестановочное усилие в прямом направлении создается давлением в рабочей полости ИМ, а в обратном направлении – силой упругости сжатой пружины. В беспружинных ИМ перестановочное усилие в обоих направлениях создается перепадом давления на рабочем органе механизма.

Электрические ИМ имеют следующие преимущества: высокое быстродействие, точность позиционирования, компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатками их являются дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях.

207

209

По принципу действия электрические ИМ разделяются на электродвигательные и электромагнитные; по характеру движения выходного элемента – на прямоходные (с поступательным движением выходного элемента), поворотные (с вращательным движением до 360° – «однооборотные», с вращательным движением на угол более 360° – «многооборотные»).

На рис. 13.2 показана классификация исполнительных механизмов.

13.2. Классификация регулирующих органов

По виду воздействия на объект регулирующие органы подразделяются на два основных типа: дросселирующие и дозирующие.

Дросселирующие регулирующие органы изменяют гидравли-

ческое сопротивление трубопровода, воздействуя на расход вещества путем изменения своего проходного сечения. Примерами таких РО являются заслонки, диафрагмы, задвижки, краны, клапаны.

В дозирующих регулирующих органах осуществляется задан-

ное дозирование поступающего вещества или энергии или изменение расхода вещества путем изменения производительности агрегатов: дозаторов, насосов, компрессоров, питателей, электрических усилителей мощности.

Сейчас в системах промышленной автоматики широко используются дросселирующие регулирующие органы (хотя применение РО дозирующего типа экономически более оправдано).

На рис. 13.3 представлена классификация регулирующих органов.

Вспомогательные блоки исполнительных устройств расширяют область применения ИУ и обеспечивают выполнение ряда дополнительных функций.

208