Вступление
В современном промышленном мире установлены миллионы датчиков, поддерживающих протокол HART. Однако зачастую их цифровые возможности используются минимально или не используются вовсе – предприятия продолжают считывать только аналоговый сигнал 4–20 мА, а настройку выполняют вручную на месте. В эпоху цифровизации и удаленного доступа к оборудованию возникает вопрос: как раскрыть потенциал «умных» HART-приборов без переделки существующей системы? Здесь на помощь приходит HART-мультиплексор – устройство, которое позволяет собирать данные и настраивать HART-приборы дистанционно, не нарушая основную аналоговую цепь.
Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) был разработан еще в 1980-х для передачи цифровых данных поверх стандартной токовой петли 4–20 мА. Проще говоря, по тем же двум проводам, что передают аналоговый сигнал датчика, «поверх» накладываются высокочастотные цифровые сигналы. Это похоже на радиосвязь по телефонной линии: основной «голос» (аналог 4–20 мА) идет непрерывно, а поверх него периодически передаются «шепотом» цифровые данные. HART-мультиплексор – это устройство, которое помогает «услышать» этот шепот сразу от многих приборов и передать его в систему мониторинга или на компьютер. Давайте разберемся, как он работает и в каких ситуациях без него не обойтись.
Что делает HART-мультиплексор
HART-мультиплексор можно представить через простую метафору. Представьте телефонный коммутатор, где оператор соединяет звонящего с нужным абонентом. Аналогичным образом HART-мультиплексор переключает цифровое «общение» между центральным узлом (мастер-устройством) и несколькими HART-датчиками. Обычно каждый полевой прибор с HART подключен своей парой проводов к системам автоматизации (ПЛК, контроллеру) – по этой линии непрерывно течет 4–20 мА, отражая измеряемый параметр. Если нужно получить дополнительные данные или перенастроить прибор, в линию на время посылается HART-команда. Без мультиплексора это делается прибором за прибором: либо подключая по очереди переносной модем к каждой линии, либо организуя сложную сеть. HART-мультиплексор же последовательно опрашивает несколько каналов, как шустрый секретарь, который поочередно связывает вас то с одним, то с другим датчиком, используя единый «городской номер» связи с центральным компьютером.
Благодаря этому устройству мы можем одновременно держать подключенными десятки HART-приборов к одной мастер-системе. Мультиплексор обеспечивает параллельную цифровую связь, не нарушая основного сигнала. Аналоговый сигнал 4–20 мА продолжает поступать в контроллер АСУТП, а мультиплексор «снимает» с линии лишь небольшие пакеты данных. При этом он изолирует каналы друг от друга, чтобы никакие наводки или разные потенциалы земли не создавали помех. В результате оператор или инженер с помощью одного интерфейса (например, ПК с программой AMS Suite и PACTware) получает доступ ко всем подключенным приборам: читает их показания, диагностические сообщения, изменяет настройки. И все это – без походов в поле и без вывода оборудования из процесса.
Когда он нужен
Рассмотрим несколько реальных ситуаций, когда применение HART-мультиплексора оказывается особенно полезным:
- Множество датчиков в одном узле. Если на объекте установлено сразу несколько HART-датчиков в одном узле (например, на одном технологическом узле или шкафу), нет смысла тянуть к каждому отдельный коммуникационный кабель для настройки. Вместо этого ставится мультиплексор, который объединит эти приборы в одну сеть. Инженеру достаточно подключиться к мультиплексору, чтобы «достучаться» до любого из приборов. Это упрощает систему и сокращает число коммуникационных модулей.
- Удалённая настройка и калибровка. В условиях, когда датчики разбросаны по большому предприятию или расположены во взрывоопасной зоне, ходить к каждому с переносным терминалом неудобно и небезопасно. HART-мультиплексор позволяет настроить приборы удаленно из диспетчерской или лаборатории. Например, изменение диапазона измерения, нулевое смещение или обновление прошивки можно сделать централизованно через HART-сеть, не прерывая технологический процесс.
- Сбор диагностики в цифровом виде. Современные датчики имеют обширную самодиагностику: предупреждают о неисправностях, деградации сенсора, дают дополнительные переменные (температура электроники, количество срабатываний и т.п.). Обычно этот богатый набор данных пропадает впустую. Через мультиплексор же эти диагностические данные и вспомогательные параметры становятся доступны в системе. Например, можно в режиме онлайн считывать коэффициент заполнения уровня, состояние сенсора давления или износ клапана – и всё это без вмешательства в аналоговую цепь, то есть без отключения датчика от ПЛК.
- Минимизация вмешательства в существующую систему. HART-мультиплексоры особенно актуальны, когда система автоматизации уже эксплуатируется, и модернизировать её дорого. Допустим, на установке стоят обычные аналоговые входные модули, преобразующие сигналы 4-20 мА и не поддерживающие HART. Можно заменить их на модули с HART-входами или добавить HART-опцию – но это и затратно, и требует остановок. Мультиплексор же подключается параллельно к существующим линиям 4–20 мА и собирает цифровые данные сам по себе. Базовая система как работала по аналоговому сигналу, так и продолжает работать, а все новые цифровые «фишки» мы получаем через дополнительный канал связи. Это экономично и безопасно для процесса.
Пример: HART-мультиплексор MUX8 от «Промавтоматики»
Рынок предлагает несколько моделей HART-мультиплексоров от известных производителей: например, Phoenix Contact (модуль MACX MCR-S-MUX), Pepperl+Fuchs (модели Mux2700, KFD2-HMM-16) или отечественный «Метран-670». Все они выполняют базовую функцию: объединяют несколько HART-устройств для связи с хост-системой. Однако, как показывает анализ, типичные решения конкурентов работают лишь как многоканальные HART-модемы – они не умеют прямо выдавать данные в общепринятом промышленном протоколе типа Modbus.
Компания СКБ «Промавтоматика» решила эту проблему, выпустив HART-мультиплексор KP-HART-MUX8.M3 (далее MUX8) – восьмиканальное устройство, которое не только коммутирует HART-каналы, но и также сразу преобразует полученные данные в сигналы Modbus. Проще говоря, MUX8 одновременно выступает и как классический HART-мультиплексор, и как контроллер-шлюз, размещающий информацию из датчиков в регистры Modbus. В результате данные всех подключенных HART-приборов становятся доступны любому оборудованию, поддерживающему Modbus (будь то ПЛК, SCADA или простой компьютер) – без какого-либо сложного софта и без доработки существующей системы. Например, давления, температуры или аварийные сигналы, считанные по HART, можно читать в SCADA напрямую как стандартные регистры Modbus. Одновременно через тот же мультиплексор инженеры могут пользоваться и привычными программами типа AMS Suite или PACTware для тонкой настройки полевых устройств – MUX8 совместим со стандартным HART-протоколом и поддерживает одновременную работу двух мастер-систем. Этот параллелизм – важная особенность архитектуры MUX8.
Пример подключения HART-мультиплексора KP-HART-MUX8.M3 показан на рисунке ниже.
MUX8 подключается параллельно к токовым петлям датчиков (4–20 мА) и передает их цифровые данные Master-устройству по Modbus. При этом аналоговые сигналы продолжают поступать в контроллер АСУ ТП без изменений. При этом в этой же схеме мастер- устройство может также опрашивать датчики по HART-протоколу.
Рассмотрим особенности MUX8 подробнее. Он имеет 8 независимых входных каналов HART (то есть можно подключить до 8 отдельных 4–20 мА линий с приборами). Все восемь каналов гальванически изолированы друг от друга, что устраняет проблемы с «землями» и общими цепями. Устройство компактно монтируется на DIN-рейку; при установке нескольких модулей рядом используется специальный шинный соединитель TBUS, через который подается питание и объединяется линия RS-485, – никакой лишней проводки. Для связи с внешним миром MUX8 оснащен портами USB, RS-232 и RS-485-1, RS-485-2 и может передавать данные по всем 4-м интерфейсам одновременно. USB удобно для локальной настройки ноутбуком, а RS-485 как раз применяется для выдачи Modbus-данных в систему автоматизации. Причем Modbus-адресация устроена гибко: данные каждого из 8 приборов размещаются в отдельных блоках регистров, что упрощает программирование опроса со стороны контроллера.
Отдельно стоит упомянуть надежность и совместимость. Мультиплексор MUX8 выпускается в двух вариантах: для обычных условий (от +1 °C) и морозостойкий в индустриальном исполнении (-40…+85 °C). Это позволяет использовать его и в теплом помещении диспетчерской, и в полевых шкафах на улице. Устройство интегрируется в существующие системы без каких-либо доработок: достаточно подключить зажимы мультиплексора параллельно к клеммам датчика. Поддержка Modbus RTU означает, что любой ПЛК или SCADA-система, понимающие Modbus, мгновенно «увидят» данные HART как будто это просто удаленные модули ввода-вывода. Для инженеров КИПиА это большое облегчение: не нужно изучать новый софт – MUX8 вписывается в стандартную архитектуру.
Наконец, по сравнению с аналогами, MUX8 дает пользователям заметные преимущества. Если традиционные мультиплексоры Phoenix Contact или Pepperl+Fuchs решают лишь задачу удаленного доступа (и требуют установки специализированного ПО), то решение от «Промавтоматики» сразу предоставляет более широкий функционал. HART-мультиплексор MUX8 фактически объединяет возможности мультиплексора и протокольного шлюза: вы получаете и удаленную параметризацию, и прямую передачу данных в контроллер. Плюс – удобство USB-подключения для обслуживания на месте. Поэтому MUX8 можно рассматривать не просто как очередной аналог зарубежного прибора, а как более современный и универсальный инструмент для интеграции HART-устройств.
Заключение
Подводя итог, HART-мультиплексор – это ключ к скрытому потенциалу ваших полевых устройств. Он дает возможность без капитальной реконструкции системы подключить «умные» датчики к цифровой сети, получать расширенные данные и централизованно управлять настройками. В статье мы рассмотрели, что из себя представляет мультиплексор на примере MUX8 от СКБ «Промавтоматика» и в каких случаях его внедрение оправдано. Польза очевидна: повышение информативности системы, снижение затрат на обслуживание (меньше выходов в поле), своевременное обнаружение неисправностей благодаря диагностике. Инженерам и системным интеграторам стоит оценить свои объекты: возможно, задачи, которые сегодня решаются вручную или вовсе считаются невыполнимыми, легко закрываются с помощью HART-мультиплексора. Это сравнительно небольшое устройство способно сделать вашу систему автоматизации более «прозрачной» и гибкой – а значит, более эффективной в эпоху промышленного интернета вещей.