Технический бюллетень TNP039 25.06.2020 г. Защита от импульсных перенапряжений оборудования, работающего по протоколу HART.

Технический бюллетень TNP039 25.06.2020 г. Защита от импульсных перенапряжений оборудования, работающего по протоколу HART.

Защита от импульсных перенапряжений оборудования, работающего по протоколу HART

Открыть в формате PDF

HART (англ. Highway Addressable Remote Transducer) — набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей. Предназначен для подключения промышленных датчиков.

HARТ имеет проводной и беспроводной физические уровни, а также протокол обмена. Проводной вариант позволяет передавать цифровые данные и питание по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4-20 мА.

Типовой областью применения HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, расходомеры, радарные уровнемеры и т. д.), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART-сигнала позволяет легко удовлетворять требованиям стандарта по искробезопасным электрическим цепям.
Физический уровень HART выполнен поверх токовой петли стандарта 4-20 мА. Данные передаются модуляцией тока амплитудой ±0,5 мА со спектром выше 500 Гц, постоянная составляющая недопустима. При этом спектр аналогового сигнала токовой петли должен быть ограничен до 25 Гц. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам.

Логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц (рис.1). Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот.

Рис. 1 - Информационный сигнал протокола HART.

Впоследствии стандарт был дополнен более скоростным вариантом с фазовой модуляцией. Несущая 3200 Гц, 8-позиционная манипуляция, скорость 9600 бод. Стандарт определяет вариант с фазовой модуляцией как дополнительный и рекомендует использовать частотную модуляцию при проблемах связи.

Диапазон возможных напряжений источника приведен в ГОСТ 26.011-80 "Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные". На практике стандартным значением напряжения источника питания сетей на основе протокола HART принято напряжение 24 В.

Основные технические характеристики сети, поддерживающей HART-протокол, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики сети, поддерживающей HART-протокол.

Как известно, проводные линии большой длины восприимчивы к импульсным перенапряжениям. Наиболее опасными являются атмосферные воздействия (наводки, возникающие при растекании токов молнии по внешней системе молниезащиты и инженерным коммуникациям объекта).

Защита сетей на основе HART-протокола, как, впрочем, любых других сетей, осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 путём исключения возможности прямых воздействий тока молнии, созданием системы уравнивания потенциалов на объекте, экранированием, организацией оптимальной прокладки кабеля, качественным заземлением оборудования и применением устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Основные типы, параметры и общие требования по применению УЗИП, предназначенных для защиты информационных систем, определяются в ГОСТ IEC 61643-21-2014
Для обеспечения эффективной защиты сети, поддерживающей HART-протокол, УЗИП необходимо устанавливать на вводах контроллера и ведомых устройств как можно ближе к защищаемому устройству. Сопротивление заземления в точке установки УЗИП должно быть минимальным и выполнено проводником наименьшей длинны и сечением не менее 1 мм².

Так со стороны контроллера можно использовать УЗИП К2Р НТЕ 1/30/3 для крепления на DIN-рейку.

Рис. 2 – Устройство защиты от импульсных перенапряжений К2Р НТЕ 1/30/3

В случае применения на объекте взрывозащиты вида искробезопасная электрическая цепь, для соблюдения всех требований для защиты контроллера должно использоваться специальное устройство защиты в искробезопасном исполнении К2Р Н3G 1/24/0.8 Exi. Эти УЗИП обладают очень малыми собственными индуктивностью и ёмкостью не позволяющими аккумулировать энергию, а также сопротивлением изоляции между каждым проводником и землей не менее 500 В. Согласно нормативным документам, сечение проводника заземления такого УЗИП должно быть не менее 4 мм².

Это устройство устанавливают непосредственно в искробезопасную цепь после барьера искрозащиты.

Рис. 3 – Устройство защиты от импульсных перенапряжений К2Р Н3G 1/24/0.8 Exi

Со стороны полевых устройств могут быть установлены как такие же УЗИП, описанные выше, так и применены УЗИП серии ГИК, устанавливаемые непосредственно на корпус полевого устройства. Монтаж УЗИП осуществляется через незадействованный кабельный ввод датчика. Эти УЗИП подходят для размещения во взрывоопасной зоне.

Рис.4 – Подключение УЗИП серии ГИК.

Обычно для этих целей применяют УЗИП ГИК 24/3 Exd+i M(N), имеющий вид взрывозащиты и взрывонепроницаемая оболочка, и искробезопасная электрическая цепь. Устройства выпускаются как с метрической, так и с дюймовой резьбой.

Таблица 2. Технические характеристики УЗИП серии ГИК

Схема построения сети, поддерживающей HART-протокол, приведена на рис. 5.

Рис.5 – Пример построения сети на основе протокола HART

Рис. 6 – Сеть на основе протокола HART с использованием взрывозащиты вида искробезопасная электрическая цепь.

Если на объекте существует большое кол-во линий, приходящих в контроллер из зоны защиты 0 согласно ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010, целесообразно использовать решение в виде щитка защиты от импульсных перенапряжений (ЩЗИП) с установленными внутри УЗИП. Кроме того, требования по установке УЗИП в отдельный металлический щиток прямо прописано во многих ведомственных нормативных документах, таких как СТО Газпром 2-1.11-290-2009 и РД-91.120.40-КТН-240-16. Щиток может применяться как для защиты контроллера, так и для защиты полевых устройств, расположенных в непосредственной близости друг от друга. Решение в виде ЩЗИП можно использовать и в тех случаях, когда у полевых устройств отсутствует незадействованные кабельные ввода.

Рис. 7 – Применение ЩЗИП.

В случае применения на объекте взрывозащиты вида искробезопасная цепь в щитке должны быть установлены УЗИП в искробезопасном исполнении К2Р Н3G 1/24/0.8 Exi.
На лицевой стороне ЩЗИП должна присутствовать соответствующая маркировка взрывозащиты. Кроме того, при необходимости ЩЗИП может быть изготовлен и во взрывонепроницаемом корпусе.

ЩЗИП, изготовленные АО «Хакель», разработаны на основе технических решений учитывающий специфику работы различных отраслей и действующих в них нормативных документов. Подбор и комплектация оборудования осуществляется специалистами в области молниезащиты, имеющими многолетний опыт работы в этой сфере.
Кроме того, приобретая изделие повышенной заводской готовности Вы исключаете возможность неверного подбора УЗИП и некорректного их монтажа.

Положительный опыт применения ЩЗИП подтвержден многолетней эксплуатацией на различных объектах нефтегазового сектора, энергетики, коммунального хозяйства и железнодорожной инфраструктуры. Благодаря применению ЩЗИП снижается общее количество замечаний при прохождении экспертизы проектно-сметной документации со стороны заказчика и органов государственного контроля.

По всем возникшим вопросам можно обращаться в техническую поддержку АО «Хакель» по телефонам 8-800-333-28-29 (многоканальный) или +7 (812) 207-47-05, а также по электронной почте info@hakel.ru.