Промышленный ультразвуковой расходомер c PROFINET
Аппаратное обеспечение: Платформа на базе Xilinx Zynq 7010 (Dual-core ARM Cortex-A9 + FPGA)
Программное обеспечение: FreeRTOS (Real-Time Operating System), LwIP (TCP/IP)
Промышленные ультразвуковые расходомеры, основанные на принципе времени пролёта, требуют тщательного проектирования системы для достижения высокой точности при ограниченном пространстве, особенно при использовании нескольких пар преобразователей. Типичная рабочая частота составляет около 1 МГц, а общая точность измерений напрямую связана с относительной точностью измерений времени пролёта в прямом и обратном направлениях. Для обеспечения детерминированного формирования передающих и приёмных импульсов обычно применяется ПЛИС (FPGA), при этом любые вариации задержек в трактах сигнала должны строго контролироваться. Приёмная цепочка должна обеспечивать высокое малошумящее усиление — как правило, 60 дБ и более — с динамической регулировкой под различные условия потока и размеры труб.
Возбуждение преобразователей может осуществляться по принципу включения/выключения или с использованием генератора формы сигнала. Хотя второй вариант увеличивает стоимость и сложность системы, он обеспечивает лучший контроль выходного сигнала и позволяет создавать ещё более точные и надёжные расходомеры. Обработка сигналов требует значительной фильтрации и анализа БПФ (FFT) для извлечения точных временных меток принимаемого сигнала.
Клиент и бизнес проблема
Клиент: производитель промышленных ультразвуковых расходомеров для критичных процессов в нефтегазовой, химической, энергетической и водоподготовительной отрасли.
Вызовы:
- Устаревшие коммуникационные интерфейсы: текущие модели используют ограниченные или устаревшие протоколы (HART, аналоговые выходы, Modbus), что затрудняет интеграцию с современными цифровыми системами управления и промышленными сетями.
- Ограниченная передача данных в реальном времени: отсутствует возможность оперативно передавать полный набор измеряемых параметров с высокой частотой обновления и детерминизмом, необходимым для контуров автоматического управления.
- Сложность интеграции с экосистемой Siemens: подключение к системам на базе TIA Portal требует использования внешних шлюзов, ручной настройки и дополнительных лицензий, что увеличивает стоимость внедрения и проектные риски.
- Усиление конкурентного давления: крупные производители уже выпускают ультразвуковые расходомеры с нативной поддержкой PROFINET, который становится стандартом де-факто для новых промышленных объектов в Европе и мире.
Решение
Разработка новой версии промышленного ультразвукового расходомера со встроенным сетевым интерфейсом PROFINET RT на современной платформе Xilinx Zynq 7010 под управлением FreeRTOS.
Ключевые компоненты решения
Гибкая аппаратная платформа (Zynq 7010)
- FPGA: используется для формирования импульсов возбуждения ультразвуковых преобразователей, точной синхронизации каналов, корреляционной обработки сигналов, расчёта времени пролёта и последующего вычисления расхода. Обеспечивает высокий детерминизм и минимальные джиттеры.
- ARM Cortex-A9: под управлением FreeRTOS выполняет функции управления устройством, сетевого взаимодействия, конфигурации каналов, температурной и диагностической обработки.
Реализация промышленного стека PROFINET RT
- Портирование и адаптация промышленного стека PROFINET RT для связки FreeRTOS + LwIP;
- Разработка слоя абстракции ОС (OSAL) и сетевых драйверов для бесшовной интеграции с аппаратной платформой.
Программная экосистема расходомера
- GSDML-файл: электронный паспорт ультразвукового расходомера для автоматического импорта в Siemens TIA Portal с описанием каналов, диагностикой и параметрами измерений;
- Детерминированный обмен: гарантированное время цикла передачи критичных данных расхода и диагностических параметров; поддержка статусов качества измерений и расширенной самодиагностики прибора.
Комплексный процесс тестирования
- Валидация работы стека и профилей обмена в RT-Tester и с PROFINET Test Bundle;
- Интеграционные испытания с ПЛК Siemens в среде TIA Portal;
- Стресс-тестирование стабильности, задержек и потерь пакетов в нагруженной промышленной сети.
Ценность для клиента
Для производителя ультразвуковых расходомеров:
- Повышение маржинальности продукта
- Сокращение сроков интеграции с АСУ ТП
- Переход от датчика к интеллектуальному сетевому узлу
- Гибкая архитектура — возможность добавить EtherNet/IP (CIP)
Для конечного заказчика (нефтехимия, водоканал, ТЭЦ):
- Снижение TCO за счёт отказа от шлюзов
- Прямая интеграция в TIA Portal
- Высокая точность в реальном времени
- Расширенная диагностика акустического тракта
- Удалённый мониторинг состояния датчика
- Повышение надёжности и прозрачности процесса
Итог: проект превращает традиционный ультразвуковой расходомер в полностью цифровой узел PROFINET RT, обеспечивающий детерминированный обмен измерениями и диагностикой, готовый для интеграции в инфраструктуру Индустрия 4.0 и современных DCS/PLC-систем.
Связаться с нами