2. HART-протокол

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer - "магистральный адресуемый удаленный преобразователь") является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин "протокол", означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмойRosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART-протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART-сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Стандарт HART включает в себя 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI. Полное описание стандарта можно купить в организации HCF.

Табл. 1. Модель OSI HART-протокола

При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом "токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая "токовая петля" 4...20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал A(t) суммируется с цифровым сигналом D(t) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. 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 в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

Рис. 1. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе

Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне модели OSI показан на рис.2. Сопротивление R_Н выбирается так же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина 230...1100 Ом) и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение. Акт взаимодействия устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал от источника напряжения Е^~ через конденсатор C_вч подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал A(t)₂, так и цифровой (D(t)₂). Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой - информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока (рис. 1, рис. 2). На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором R_Н. Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал D(t)₂ и аналоговый A(t)₂. При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА.

Рис. 2. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне

Как и в обычной "токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания. В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.

В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве (ситуация, обратная показанной на рис. 2.). Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОП-ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.

3. Modbus

Протокол Modbus и сеть Modbus являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 году), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г.

Одним из преимуществ Modbus является отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу "ведущий/ведомый", что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus - многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP, рассчитанный на использование в сетях Ethernet и интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit - «удаленное терминальное устройство») и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DCON, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные (необязательные). Существует три степени соответствия стандарту: «полностью соответствует» - когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» - когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной.

Табл. 2. Модель OSI для Modbus

В новых разработках на основе Modbus стандарт рекомендует использовать интерфейс RS-485 с двухпроводной линией передачи, но допускается применение четырехпроводной линии и интерфейса RS-232.

Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие ("земляные") выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства.

Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:

· непосредственно к магистральному кабелю;

· через пассивный разветвитель (тройник);

· через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).

В документации на устройство и на тройник должны быть указаны наименования подключаемых цепей.

На каждом конце магистрального кабеля должны быть установлены резисторы для согласования линии передачи, как это требуется для интерфейса RS-485 (см. выше). В отличие от RS-485, наличие терминальных резисторов в соответствии со стандартом Modbus является обязательным независимо от скорости обмена. Их номинал может быть равным 150 Ом и мощность 0,5 Вт. Терминальные резисторы, а также резисторы, устраняющие неопределенность состояния линии при высокоомном состоянии передатчиков, устанавливаются так же, как описано в разделе "Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232". Стандарт требует, чтобы в руководствах по эксплуатации устройств Modbus было сказано, имеются ли указанные резисторы внутри устройства, или их необходимо устанавливать при монтаже сети. Если требуются внешние резисторы, то они должны иметь номинал в интервале от 450 до 650 Ом и быть установлены только в одном месте в пределах каждого сегмента сети (сегментами считаются части сети между повторителями интерфейса).

Modbus-устройство обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 бит/с и 19200 бит/с, из них 19200 бит/с устанавливается "по умолчанию". Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,...,38400 бит/с, 65 кбит/с, 115 кбит/с,... .

Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.

Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, однако их количество может быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков и входного сопротивления приемников, которые должны быть приведены в документации на интерфейсы. Указание этих параметров в документации является обязательным требованием стандарта.

Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.