Проводной преобразователь в удалённой точке может обойтись дороже в кабелепроводах, кабельных лотках и трудозатратах, чем сам прибор. Такова экономика, стоящая за промышленной беспроводной связью. WirelessHART не заменяет каждый проводной контур, но снимает измерение с труднодоступной, опасной или временной точки, не требуя прокладывать к ней новый кабель.
В этом руководстве рассматривается, что представляет собой стандарт, какие цифры реально решают исход проекта (ёмкость сети, частота опроса, срок службы батареи), где беспроводная связь выигрывает у кабеля, а где — нет.
Что такое WirelessHART
WirelessHART — это промышленный беспроводной стандарт, опубликованный как IEC 62591. Он работает в диапазоне 2,4 ГГц и образует самоорганизующуюся, самовосстанавливающуюся ячеистую сеть: каждое полевое устройство может ретранслировать трафик соседей, поэтому сеть сама перестраивает маршруты при ухудшении пути. Именно это поведение ячеистой сети позволяет ей держаться на предприятии, полном движущегося оборудования и меняющихся препятствий.
Для инженера проектирование определяют два факта. Сеть несёт тот же набор команд HART, что используется на петле 4–20 мА, только по радио, поэтому существующие HART-инструменты и файлы описания устройств по-прежнему применимы. И она создана для мониторинга и диспетчерских данных, а не для быстрого замкнутого управления. Это единственное различие определяет большую часть проектных решений ниже.
WirelessHART против проводного HART
Выбор становится очевидным, как только цифры на столе.
| Фактор | Проводной HART (4–20 мА) | WirelessHART |
|---|---|---|
| Стоимость монтажа | Высокая (кабелепровод, лоток, труд) | Низкая (нет сигнальной проводки) |
| Лучше всего для | Непрерывных контуров управления | Мониторинга и диспетчерских данных |
| Частота опроса | Непрерывная | Настраиваемая, от 1 с до 60 мин |
| Питание | От петли | От батареи |
| Модернизация на большие расстояния | Слабо (новая прокладка кабеля) | Сильно (ячеистая сеть, без проводки) |
| Сертификация для взрывоопасных зон | Требуется | Требуется |
Беспроводная связь выигрывает по стоимости монтажа и охвату при модернизации. Проводная выигрывает по частоте опроса и отсутствию необходимости в батареях. Ни одна из них не отменяет необходимости в правильной категории взрывозащиты.
Цифры, которые решают исход проекта
Именно здесь большинство проектов WirelessHART удаётся или проваливается, и здесь важны данные поставщика. Приведённые ниже значения взяты из спецификаций продукции Microcyber.
Ёмкость сети обратно пропорциональна частоте опроса. У шлюза нет единого числа ёмкости; у него есть кривая. Шлюз Microcyber G1100 WirelessHART поддерживает 100 устройств при опросе раз в 8 секунд, 50 устройств при 4 секундах, 25 устройств при 2 секундах и 12 устройств при опросе раз в 1 секунду. Более частый опрос означает меньше устройств на шлюз. Рассчитывайте сеть исходя из самой медленной приемлемой частоты опроса для каждой точки, а не из единственного заголовочного числа устройств.
Задержка следует той же кривой. У G1100 задержка сети нормирована как менее 10 секунд для 100 устройств и менее 5 секунд для 50 устройств. Для мониторинга состояния это нормально. Для всего, что приближается к управлению, это причина, по которой беспроводная связь — не тот инструмент.
Частота опроса настраивается для каждого устройства, с поддерживаемыми значениями 1, 2, 4, 8, 16, 32 секунды и от 1 до 60 минут. Подшипник насоса, склонный к вибрации, может отчитываться каждые несколько секунд; температура резервуара хранения — раз в минуту. Каждую точку вы задаёте независимо, и этот выбор напрямую определяет срок службы батареи.
Срок службы батареи — функция частоты опроса. Более редкий опрос означает более длительный срок службы батареи. В качестве конкретного примера, беспроводной датчик давления NCS-PT105IIMW работает от батареи 19000 мА·ч, 3,6 В и рассчитан на 3 года при 25 °C с опросом раз в 1 минуту и выключенном ЖК-дисплее. Увеличьте частоту опроса или включите дисплей — и это значение упадёт. Это рычаг, которым инженер проекта балансирует против свежести данных.
Где она оправдывает себя
Несколько ситуаций повторяются на технологических предприятиях. Измерение на вращающемся оборудовании, наверху колонны или через дорогу от ближайшего кроссового шкафа — именно там растёт стоимость кабеля, и беспроводная связь убирает прокладку. Установленные приборы HART и 4–20 мА, которые уже выдают хорошую диагностику, но так и не были подключены к системе управления, можно поднять в промышленную беспроводную сеть с помощью адаптера. Пусконаладочные проверки и короткие кампании по устранению неполадок не оправдывают постоянного кабеля. Резервуарные парки, кустовые площадки скважин и рассредоточенные блоки инженерных систем растягивают стоимость кабеля по расстоянию, и шлюз плюс горстка беспроводных устройств покрывают их за долю стоимости рытья траншей.
Где она не подходит
Беспроводная связь не предназначена для быстрого замкнутого управления; приведённые выше значения задержки показывают почему. Устройства с батарейным питанием обменивают частоту опроса на срок службы, поэтому опрос раз в секунду и многолетняя батарея — это конкурирующие цели, а не сочетание. И радио не меняет классификацию зоны: устройство в зоне Zone 1 по-прежнему нуждается в правильной категории искробезопасности. Шлюз G1100, например, имеет категории ATEX и IECEx Ex ec IIC T6 Gc и листинг Class I Division 2, что позволяет ему размещаться в классифицированном наружном месте.
Построение сети
Сеть WirelessHART собирается из шлюза, полевых устройств и — для модернизаций — адаптеров. Шлюз связывает беспроводную ячеистую сеть с хост-системой. G1100 подключается через изолированный RS485 (Modbus RTU) и Ethernet, несущий Modbus TCP, OPC, TCP/IP и HART-IP, со встроенным веб-сервером для настройки, поэтому он встраивается в большинство существующих архитектур управления без отдельного преобразователя протоколов.
Собственное беспроводное полевое устройство имеет встроенное радио. NCS-TT105W — это одноканальный полевой беспроводной датчик температуры. Он принимает входы термосопротивлений, термопар, резистивные и по напряжению, соответствует HART 7, передаёт на уровне от 0 до 13 дБм в диапазоне от 0 до 150 м и имеет категорию Ex ia IIC T4 Ga для взрывоопасных зон. Как беспроводной датчик температуры он подходит для изолированных и труднодоступных температурных точек, описанных выше.
Для проектов, где стоимость прокладки кабеля превышает стоимость прибора, WirelessHART часто оказывается практичной альтернативой. Главное — сопоставить технологию с применением: мониторинг, а не высокоскоростное управление; частота опроса, заданная под нужный вам срок службы батареи; правильная сертификация для взрывоопасных зон; и шлюз, который чисто интегрируется с хост-системой.
