Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Co přináší WirelessHART nového do měření hladin

V článku je na základě nejnovějších zkuše­ností stručně shrnut přínos bezdrátového způsobu komunikace při použití protoko­lu WirelessHART zejména v průmyslových úlohách měření hladiny.

 

HART 5, 6, 7, …?

Protokol WirelessHART byl v roce 2007 charakterizován jako výsledek předchozích výzkumů a zkušeností především s použí­váním protokolu Wire­less firmy Rosemount. V současné době je dů­ležitou součástí stan­dardu HART 7. Převáž­ná většina provozních přístrojů používaných v současnosti v průmys­lu podporuje standard HART ve verzi 5, při­čemž všechny přístro­je uváděné nyní nově na trh by měly odpoví­dat standardu HART 7. Tato nejnovější verze standardu HART je doplněna mnoha novými možnostmi, mj. umož­ňuje používat dlouhé symbolické názvy pro­měnných (tag), takže k označování přístrojů lze použít např. identifikační kódy pro elekt­rárny podle systému KKS (Kraftwerk-Kenn­zeichen-System). Standard HART 7 dále pod­poruje vytváření samoorganizujících se prů­myslových rádiových komunikačních sítí WirelessHART™ a asi nejužitečnější novin­kou je funkce aktivního odesílání výsledků diagnostiky, které jsou varováním před vzni­kem skutečného problému.
 

S napájením, nebo na „baterku“?

Většina průmyslových snímačů provoz­ních veličin instalovaných v současné době pracuje se signálem 4 až 20 mA a protoko­lem HART, pomocí kterého lze snímače kon­figurovat, číst hodnoty dalších měřených ve­ličin a získávat důležité diagnostické údaje. Avšak většina těchto funkcí, údajů a informa­cí dosud často zůstává zbytečně nedostupná a nevyužitá. A to je přitom k dispozici jed­noduché uspořádání při použití inteligentní­ho rádiového adaptéru THUM™ značky Ro­semount, který lze snadno zapojit do smyčky 4 až 20 mA, ze které pak nejen získává na­pájení, ale zejména on-line zpřístupňuje ko­munikaci s měřicím přístrojem s rozhraním HART. Velmi často se s tímto uspořádáním lze setkat také v případech, kdy je k dispozi­ci napájení, ale není snadné připojit signální kabel, nebo když chybí rezervní vstupy v ří­dicí jednotce (PLC).
 
Další úroveň představují přístroje napá­jené z baterie – ale spíše by se mělo mluvit o napájecím modulu. Jde totiž o jiskrově bez­pečné zdroje, které lze popř. měnit i v prostře­dí s nebezpečím výbuchu. Rovněž konstruk­ce napájecích obvodů nezávislých snímačů je podstatně náročnější než u snímačů s trvalým napájením. Je třeba si uvědomit, že tyto ne­závislé snímače většinu času „prospí“ a pak během krátkého probuzení musí být schopny nejen zvládnout příjem a odeslání zprávy, ale především přesně měřit bez jakékoliv nadby­tečné doby na stabilizaci.
 

Potřebuji měřit každou sekundu? Nebo stačí po minutě?

Naměřená hodnota je v síti WirelessHART předávána v přesně stanoveném intervalu, který lze nastavit pro každý snímač zvlášť. Síť si pak sama nastaví přenosové cesty tak, aby každý naměřený údaj byl k dispozici v poža­dovaném čase. Z každého snímače je k dispo­zici až osm proměnných, které lze takto mě­řit. Interval mezi měřeními je u mnoha pří­strojů sice volitelný už od 1 s, typicky se ale při řízení spojitých technologických procesů v průmyslu, až na malé výjimky, pohybuje mezi 16 až 60 s. Životnost baterie při inter­valu mezi měřeními 60 s je většinou asi de­set let, při zkrácení intervalu na 1 až 4 s bývá asi čtrnáct měsíců. Na potřebu baterii vyměnit přitom diagnostika přístroje včas upozorní.
 

Platí – neplatí?

Pro každou naměřenou hodnotu je vel­mi důležitá otázka její validity, tj. zda platí, nebo neplatí. Analogovým signálům si od­borníci zvykli věřit, avšak přitom často sta­čí svod v kabelu, vlhkost na svorkovnici, slabý napájecí zdroj apod. a analogový sig­nál zklame. Každá naměřená hodnota každé proměnné je v síti WirelessHART přenášena digitálně, včetně časové značky a informace o stavu (status), na základě které se vyloučí neplatné hodnoty proměnných. Stane-li se, že naměřená hodnota nepřijde, lze to vyhod­notit a reagovat.
 

Vím – nevím?

Současné měřicí přístroje, vyznačují­cí se výkonnými diagnostickými funkcemi, jsou schopny upozornit na velké množství problémů nejen uvnitř, ale i vně přístroje. Z vnitřních poměrně běžných typů diagnos­tikovaných poruch lze jmenovat poruchy elektroniky a čidla, přehřátí atd. Pokročilé diagnostické funkce se ale dostávají i dále do technologického zařízení, např. snímač tla­ku může podle šumu detekovat ucpané pulz­ní potrubí, převodník teploty zase třeba driftující čidlo teploty, průtokoměry dvoufázo­vé proudění (přítomnost plynu v kapalině), vibrační spínač hladiny třeba zalepování či­dla, kontaktní radar zase zanášení sondy atd. Na straně kabeláže může jít např. o detekci problémů s napájením nebo třeba s již zmí­něnou vlhkostí na svorkovnici apod. Přístup k těmto informacím je v současnosti díky sí­tím WirelessHART velmi snadný. Například softwarový modul Alert Monitor, který je součástí nástroje AMS (Asset Management Software), může při jejich využití po velmi jednoduchém nastavení začít včas upozor­ňovat na možné problémy a dát tak obsluze šanci včas je odstranit.
 
Při použití sítí WirelessHART lze diagnos­tiku využít i u přístrojů, které jsou zapojeny v bezpečnostních přístrojových systémech (Safety Instrumented Systems – SIS), zajišťu­jících potřebnou úroveň integrity bezpečnos­ti, nebo při bilančních měřeních, tedy v ob­lastech, kde je jinak diagnostika většinou sta­tečně ignorována.
 

Neublíží ani bagr

Všichni asi tuší, že úroveň spolehlivos­ti a bezpečnosti roste s redundancí. Sítě Wi­relessHART jsou sítě s mřížkovou topologií (tzv. mash), kde účastníci mohou komuniko­vat každý s každým a kde se údaje a infor­mace dostávají k cíli několika cestami. Pře­rušení jedné cesty tak nezpůsobí žádné pro­blémy, údaj jen putuje náhradní cestou, a síť si dokonce rychle vytvoří i další záložní cesty (obr. 1). Porovnání s klasickou kabeláží je zde obtížné – zkusme to ale třeba odlehčit otáz­kou: „Už vám někdy bagr překopl mnohaži­lový kabel…?“. Navíc lze přidáním druhé – redundantní – síťové brány zdvojit i propoje­ní mezi sítí a okolním světem.
 

Integrace

Přidání nového přístroje do existující sítě WirelessHART je co do náročnosti obdobné připojování počítače k běžné počítačové síti – stačí znát jen jméno a heslo. Heslo, tvoře­né čtyřmi skupinami po osmi znacích, spl­ňuje i ty nejvyšší požadavky na zabezpeče­ní. Brány, které zajišťují řízení a optimalizaci sítě, zajišťují také spojení s řídicími a infor­mačními systémy (obr. 2). Mají k tomu k dis­pozici mnoho funkcí a protokolů – Modbus, OPC, Ethernet, HART IP atd. V mnoha nových řídicích systémech jsou navíc tyto brá­ny již integrovány. Součástí brány je i webo­vý server, který umožňuje sledovat a nastavit základní parametry sítě při použití jakéhoko­liv počítače s prohlížečem Internet Explorer.
 

Převodník polohy hladiny Rosemount 3308 Wireless

Přístroj Rosemount 3308 Wireless (obr. 3) je první bezdrátový převodník polohy hladiny zcela odpovídající standardu WirelessHART. Jde o radarový hladinoměr s vedenou vlnou, tj. kontaktní, využívající techniku TDR (Time Domain Reflectometry), při níž jsou z elektro­niky převodníku vedeny po povrchu sondy do měřeného média krátké nanosekundové pul­zy. V okamžiku, kdy se pulz setká s měřenou hladinou, je část jeho energie odražena zpět k převodníku. Z doby, která uplyne od vy­slání pulzu k přijetí jeho echa se určí vzdá­lenost od převodníku k měřené hladině nebo mezihladině. Důležitým parametrem je zde dielektrická konstanta měřených látek, kte­rá ovlivňuje jejich schopnost odrážet mikro­vlnné pulzy. Díky dlouholetým zkušenostem pracovníků firmy Rosemount a využití metod osvědčených v jejích úspěšných kontaktních radarových hladinoměrech řad 3300 a 5300 nabízí model 3308 přesné a spolehlivé mě­ření v kombinaci s dlouhou životností napá­jecího modulu. Samozřejmá je výkonná dia­gnostika, která včas upozorní např. na mož­nost vzniku problémů v důsledku masivního usazovaní nečistot na sondě.
 

Hladinový spínač Rosemount 2160 Wireless

Vibrační hladinový spínač Rosemount 2160 Wireless (obr. 4) pro detekci polohy hladiny kapalin pracuje na principu rezonanční vidlič­ky. Piezoelektrický krystal uvnitř spínače ro­zeznívá čidlo ve tvaru vidličky na jeho vlastní frekvenci, která je závislá na vlastnostech mé­dia obklopujícího čidlo, a tudíž se při ponoru vidličky do tekutiny změní. Z aktuální vlast­ní frekvence vidličky je v elektronice spínače odvozen stavový signál, spolehlivě určující např. stavy přeplnění nebo vyprázdnění nádrží, popř. zaplavení potrubí požadované při provo­zu čerpadel. Navíc je díky pokročilé diagnosti­ce možné detekovat např. zalepování senzoru, a dokonce i jeho případnou korozi.
 

AMS Suite: Intelligent Device Manager

Proaktivní údržba již nemusí být planou frází a díky diagnostice v přístrojích a mož­nostem softwaru AMS Device Manager, který nepřetržitě sleduje všechny přístroje a umož­ňuje rychle reagovat při indikaci potenciál­ního problému, se z dosavadního snu může stát snadno realizovatelná skutečnost. V praxi se používání softwaru AMS Devise Manager projeví zkrácením odstávek zařízení, a tudíž i zmenšením ztrát ve výrobě.
 
Součástí softwaru AMS je modul Wireless Snap On, který umožňuje sledovat komunika­ci v sítích WirelessHART a ihned najít a řešit případné problémy.
 

TankMaster

Software TankMaster byl vytvořen a je především určen pro bilanční úlohy měření polohy hladiny. Usnadňuje instalaci a kon­figurování systémů pro měření polohy hla­diny a dovoluje využívat mnoho různých komunikačních protokolů, jako jsou např. OPC, RS-232, RS-485, TRL/2 Modubus, nyní i včetně protokolu WirelessHART. Na­měřené i vypočítávané údaje jsou k dispozici on-line v uživatelsky přívětivých grafických zobrazeních i na metrologicky certifikova­ných výstupech.
 
Milan Goldmann,
 
Obr. 1. Hladinoměrné přístroje s rozhraním WirelessHART jsou integrovány ve spolehlivých sítích s mřížkovou topologií (mash), kde se údaje a informace dostávají k cíli několika cestami
Obr. 2. Brána Emerson Smart Wireless Gate­way pro sítě WirelessHART
Obr. 3. Radarový hladinoměr s vedenou vlnou Rosemount 3308 je zcela kompatibilní se standardem WirelessHART
Obr. 4. Vibrační hladinový spínač Rosemount 2160 Wireless