4. Протокол передачи данных hart

Протокол HART был разработан фирмой Rosemount в 1986 году для интеллектуальных приёмопередатчиков. По мере продолжения работ и расширения номенклатуры поддерживаемых устройств этот протокол в конце 1989 был сделан открытым, а немного позже была создана организация HART Users Group. Количество участников HART Users Group выросло от 18 компаний в 1990 до 79 в 1993. В 1993 была создана организация HART Communication Foundation (HCF) и компания Fisher Rosemount передала права владения протоколом этой организации.

HART Communication Foundation является официальным источником информации о HART технологии в промышленности и для своих членов по всему миру. Эта организация является некоммерческой корпорацией, специально организованной для координирования и поддержки применения HART технологии по всему миру. Основной задачей этой организации является демонстрация преимуществ и ценности этой важной технологии. Членство в организации открыто для всех поставщиков, конечных пользователей и других лиц, заинтересованных в использовании HART протокола. Организация поддерживает форум на CompuServe посвященный HART протоколу (GO HARTCF) и сервер World Wide Web, имеющий адрес http://www.ccsi.com/hart/.

В течение многих лет стандарт передачи данных предусматривал на полевом уровне оборудования для автоматизации процесса аналоговый токовый сигнал. Величина токового сигнал изменялась в пределах 4-20 mA пропорционально измеряемой переменной процесса. В обычном случае сигнал 4 mA соответствовал нижнему пределу измерений (0%) калибровочного диапазона, а сигнал 20 mA соответствовал верхнему пределу (100%) калибровочного диапазона. Если система калибровалась в диапазоне 0-100%, то средний аналоговый токовый сигнал 12 mA, соответствовал 50% диапазона. Практически все системы использовали этот международный стандарт для передачи значений переменных процесса в системах автоматизации.

По аналоговому каналу можно передавать ограниченное количество информации.

Интеллектуальные полевые устройства используя HART (Highway Addressable Remote Transducer) протокол, значительно улучшают эту ситуацию, поскольку цифровые данные при передаче накладываются на сигнал 4-20 mA, не взаимодействуя с этим сигналом.

Такое использование сигналов даёт два важных преимущества:

– существующая кабельная проводка и стратегии управления остаются неизменными;

– появляется возможность передачи больших объёмов дополнительных данных (обычно это номера тэгов (позиций), измеряемых параметров, данные о диапазоне измерений, информация о самом приборе и диагностика). Возможность передачи этих данных используется при монтаже, калибровке, техническом обслуживании и эксплуатации АСУТП. При этом достигается значительное снижение стоимости, улучшение координации и использования сети интеллектуальных устройств.

Протокол HART позволяет осуществлять двунаправленную передачу информации, таким образом, параметры приборов могут опрашиваться и регулироваться из любой точки на кабеле.

Протокол HART предусматривает и полностью цифровой режим, что позволяет многим приборам присоединяться параллельно на одну магистраль, что значительно сокращает материальные затраты на монтаж и наладку каналов связи.

Поскольку протокол HART поддерживается основными изготовителями средств автоматизации и практически гарантируется совместимость АСУ ТП различного назначения и интеграция с компьютерами и оборудованием верхних уровней.

Сегодня HART протокол даёт преимущества, которые связаны не только с совместимостью с существующими системами с токовым сигналом 4-20 mA, но и внедрением полностью цифровой технологии FIELDBUS.

Преимущества и принцип работы

Протокол HART использует стандарт "Частотной Манипуляции Bell 202", накладывая цифровой сигнал малой амплитуды (0.5 mA) на аналоговый сигнал 4-20 mA, что показано на рис. 4.1.

В соответствии со стандартом Bell 202, цифровой сигнал преобразуется в две частоты - 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно представляющие биты 1 и 0 (рис. 4.1).

Поскольку такой ЧМ сигнал имеет нулевое среднее значение и фаза сигнала непрерывна, то ЧМ сигнал на аналоговый сигнал 4-20 mA не оказывается никакого влияния.

Рис. 4.1 Наложение ЧМ сигнала Bell202 на аналоговый сигнал

Стандартный переносной терминал, называемый «HART Коммуникатор», способен единообразно осуществлять операции с полевыми устройствами. Другие сетевые функции можно осуществлять при помощи шлюзов.

Преимущества Hart protocol, состоят в том, что:

– по одной линии передается одновременно аналоговая и цифровая информация или, например, питание и цифровая информация;

– по цифровому каналу осуществляется двунаправленная передача;

– осуществляется взаимодействие одних полевых устройств с другими полевыми устройствами;

– возможно несколько ведущих устройств, среди которых могут быть либо Control system (управляющая система), либо Hendheld communicator (ручной коммуникатор);

– всегда выполняется параллельное объединение устройств в сети (multidropping или network);

– осуществляется передача информации с помощью модемов по телефонному или радиоканалу;

– могут быть использованы мультиплексные и селекторные режимы работы;

– выполняются унификация и совместимость со всеми Hart-устройствами;

– используется гибкий формат сообщений, позволяющий адаптировать сеть к включению устройств другого типа;

– в одном сообщении может передаваться до четырех значений переменных, а в целом поддерживается до 256 переменных, описывающих устройство.

– в том случае, если по линии передается питание, то число полевых устройств может быть не более пятнадцати.

Рис. 4.2. Стандарт передачи информации по модему Bell 202

Два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу⁵¹:

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом представлен на рис. 4.3. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

Аналоговая составляющая

НART-модем

Рис. 4.3

В многоточечном режиме (рис. 4.4) датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства – 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу.

НART-модем

Управляющие устройства

ПК или HART коммуникатор

Рис. 4.4

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а так же мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

Обычно в аналоговой АСУТП присутствует множество интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме 4-20мА + HART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или HART-модема требует последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4-20 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор. При таком подходе приборы продолжают передавать измерительную информацию в систему по токовому выходу 4-20 мА, а их конфигурация может быть изменена с одного цифрового выхода управляющей системы. Связь мультиплексора с системой управления осуществляется по интерфейсу RS485 или RS232. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров соединенных по RS485, 16 каналов каждый). Структурная схема работы мультиплексора в аналоговой системе представлена на рисунке 4 (линии 2,3,..n).

Существует возможность построения с помощью мультиплексора цифровой системы сбора и визуализации информации. В этом случае каждый канал мультиплексора может опрашивать до 15 датчиков, подключенных к одной токовой петле. При таком подключении затраты на кабельную продукцию существенно снижаются (рисунок 4.5, линия 1).

ПК программа

Рис. 4.5

Г

НART

На арендованной линии может "висеть" неограниченное число полевых устройств, поскольку все они запитываются от индивидуальных источников независимо от передачи сигнала. В случае наличия только одного источника питания для всех полевых устройств, их количество ограничивается и не должно превышать 15 штук.

Режим BURST

Существует «монопольный» режим передачи сообщений, когда одно подчиненное устройство в течение продолжительного интервала времени выдаёт стандартное ответное сообщение HART в широковещательном режиме. В этом режиме возможен более высокий темп обновления информации и обычно он используется в топологии точка-точка, которая часто используется на практике.

Структура протокола HART

Протокол HART соответствует сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection), разработанной организацией ISO (International Organization for Standartization). Сетевая модель OSI определяет структуру и элементы систем передачи данных. Протокол HART использует сокращенную сетевую модель OSI, реализующую только уровни 1, 2 и 7 (см. рисунок 4.6)

Уровень 1 называется "Физическим Уровнем", и канал связи работает по принципу частотной манипуляции, основанном на стандарте передачи Bell 202:

– скорость передачи данных – 1200 бит/сек;

– частота, соответствующая логическому "0" – 2200 Гц;

– частота, соответствующая логической "1" – 1200 Гц.

Большинство существующих каналов связи подходит для этого вида цифровой передачи данных. Для коротких расстояний вполне подходит неэкранированная пара проводов сечением 0,2 мм². Для больших расстояний (до 1500 м) используется экранированный жгут витых пар сечением 0,2 мм². Дистанции до 3000м требуют применения экранированной витой пары сечением 0,5 мм².

Уровень 2, Уровень Соединений, устанавливает формат HART сообщений. HART протокол является протоколом вида главный/подчиненный, а это означает, что полевое (подчиненное) устройство передает информацию только по запросу главного устройства. Главное устройство передает конкретному полевому устройству (подчинённому) команду и возвращает ответ.

Структура этих сообщений представлена на рисунке 4.7. В многоточечном режиме в сообщении содержится вся информация о том, кто его передает и кто получает.

Операнд определенного размера требуется, чтобы полевое устройство выполнило инструкцию HART. Уровень 2 также повышает надежность передачи, использованием добавления байта контрольной суммы в конец сообщения. Это «продольная проверка» правильности передачи. Кроме этого, при передаче микросхема приемопередатчик НART добавляется по одному биту чётности/нечётности к каждому байту. Это «поперечная проверка» правильности передачи. Каждый отдельный символ передается в стандартном формате интерфейса RS-232:

– 1 стартовый бит;

– 8 бит данных;

– 1 бит контроля чётности/нечётности;

– 1 стоповый бит.

Уровень 7, Уровень приложения, здесь интерпретируется набор команд. Главное устройство посылает сообщения с запросами определенных величин, реальных данных и любых других параметров имеющихся в устройстве. Полевое устройство интерпретирует эти команды в соответствии с HART протоколом. Ответное сообщение передаёт главному устройству информацию о статусе и значениях параметров полевого устройства.

Для максимально возможного повышения эффективности используются классы соответствия для главных устройств, и классы команд для подчиненных (полевых) устройств. Применяются шесть классов соответствия для главных устройств, как показано на рисунок 4.7. Для подчиненных устройств логическая, единообразная передача данных осуществляется при помощи следующих наборов команд:

Универсальные команды реализуют доступ к информации, которая необходима при нормальной работе устройства, такой как изготовитель прибора, модель, тэг, серийный номер, дескриптор, пределы измерений и переменные процесса. Универсальные команды реализованы во всех полевых устройствах.

Часто используемые команды обеспечивают доступ к функциям, которые могут выполняться несколькими полевыми устройствами. Набор этих команд образует библиотеку общих функций полевого устройства.

Специфические команды прибора обеспечивают доступ к функциям, уникальным для определенного устройства. Позволяет включить специальные возможности которые будут доступны всем пользователям.

Использование всех трёх типов команд предусматривается в любом полевом устройстве, включая все универсальные команды, некоторые часто используемые команды и некоторые специфические команды прибора.

Рис. 4.6. Сетевая модель OSI и HART протокол

Рис. 4.7. Структура сообщения HART

Структура сообщения HART обеспечивает высокую надежность информации.

Передача данных

Вид передачи данных:

Частотная манипуляция в соответствии со стандартом Bell 202. Стандарт регламентирует скорость передачи и частоты для битов информации "0" и "1".

Скорость передачи – 1200 бит/сек

Частота, соответствующая логическому "0" - 2200 Гц

Частота соответствующая логической "1" - 1200 Гц

Структура сигнала – 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля чётности/ нечётности, 1 стоповый бит

Темп передачи для простых переменных – приблизительно 2-3 раз/сек (опрос/ответ), приблизительно 3-4 раз/сек (режим burst, неосновной)

Максимальное количество устройств в режиме шины – с единственным источником питания 15 штук.

Спецификация на количество переменных – максимальное количество переменных на одно полевое устройство – 256, максимальное количество переменных в одном сообщении – 4.

Максимальное количество главных устройств – два.

Целостность информации. На физическом уровне вероятность сбоя бита 10^-5, на уровне соединений выполняется распознавание всех групп до трех пораженных бит, с высокой степенью вероятности более длинные группы и множественные группы, на уровне приложения коммуникационный статус передается в ответном сообщении полевого устройства. Он состоит из двух байтов закодированных побитно. По первому байту выявляются ошибки при передаче, если таковые имеются. Второй байт статуса показывает рабочее состояние полевого устройства (т.е. изменения в конфигурации, фиксация выходного тока, насыщение аналогового выхода, неправильная работа устройства и т. д.).

Требования к аппаратному обеспечению. Тип соединения и ограничения по длине приведён на рисунке (странно, это ведь таблица) 4.8.

Рис. 4.8. Аппаратные ограничения

Максимально возможная длина линии связи для определенного приложения рассчитывается по следующей формуле:

,

где: L – длина в метрах; R – сопротивление в омах, нагрузка с включением внутреннего сопротивления барьера/ изолятора; C – погонная ёмкость линии в пФ/м; C_f – максимальная внутренняя ёмкость для «Интеллектуальных полевых устройств» (в пФ).

Рассмотрим пример приемопередатчика датчика давления, системы управления с простой экранированной парой, имеющей параметры:

R = 250 Ом, С = 150 пФ/м, C_f = 5000 пФ.

По этим данным

Применение барьеров безопасности вносит дополнительное ограничение на максимальную длину линии. Для детального изучения пригодности соединения для передачи информации следует обращаться к нормативному документу по HART протоколу в части, содержащей описание физического уровня.

HART протокол является промежуточным звеном при переходе от аналоговых устройств 4-20 мA к полностью цифровой технологии FIELDBUS.