Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает? HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА

Протокол связи HART - это протокол для адресуемых по шине полевых устройств (датчиков). Протокол HART, как таковой, не является полевой шиной - он является вариантом цифровой полевой связи, выполняющим многие функции полевых шин. При HART-связи полевые устройства традиционно подключаются через выходные токовые контуры 4-20 мА. накладывается на аналоговый сигнал с помощью метода частотной модуляции FSK (Frequency Shift Keying). Это позволяет передавать данные измерений, информацию о настройках и состоянии полевого устройства (датчика), не затрагивая аналоговый сигнал.

HART обеспечивает цифровую двунаправленную связь между датчиком и вторичным прибором или контроллером. Время отклика HART около 500 мс, скорость передачи равна 1200 бит/с. Протокол связи HART может применятся и во взрывоопасных зонах в том случае, если развязывающие устройства (барьеры взрывозащиты) поддерживают HART протокол.

Имеются два способа реализации HART связи с датчиками:

Стандартное соединение равноправных узлов, когда на сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный сигнал. Это обеспечивает цифровое соединение максимум двух устройств HART Данный вид соединения обычно используется при настройке датчиков (полевых устройств). Выходной аналоговый сигнал 4-20 мА датчика при данном соединении изменяется в соответствии с величиной контролируемого параметра.
Режим многоточечной связи с полевыми устройствами, при котором им присваиваются "сетевые" адреса шины. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также 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. Полевые устройства, которым присвоен адрес 0, отключены от шины и данные с них не могут быть считаны по HART. В режиме многоточечной связи обмен данными производится также по двухпроводной линии - но только с помощью частотно-модулированного сигнала - выходной сигнал датчика зафиксирован на определенной величине и не изменяется.

Частотно-модулированный сигнал - это переменный ток амплитудой +/-0.5 мА с частотой 1200 Гц для цифровой единицы и 2200 Гц для цифрового нуля. Среднее значение этого синусоидального сигнала равно нулю, так что он не оказывает влияния на сигнал 4-20 мА и не искажает показания датчика.

Токовый модулированный HART сигнал преобразуется в напряжение на внутреннем входном сопротивлении приемника. Чтобы обеспечить надежный прием сигнала, протокол HART определяет полную нагрузку токового контура, включая сопротивление кабеля, которая должна быть в пределах от 230 Ом до 1100 Ом. Обычно, однако, верхний предел определяется не этой спецификацией, а ограниченной нагрузочной способностью источника питания.

Управление доступом по протоколу HART.

Протокол HART функционирует согласно принципу ведущий-ведомый, и все операции связи инициируются ведущим устройством. Протокол HART поддерживает два ведущих устройства: первичный ведущий, обычно система управления, и вторичный ведущий - блок управления, который используется в полевых условиях (ноутбук с HART модемом или ручной управляющий модуль - HART коммуникатор). Распределение активности ведущих устройств при управлении ведомым, выполняется на временной основе. После каждой транзакции одно из двух ведущих устройств может принимать на себя связь внутри определенного временного окна.

Полевые устройства HART (датчики с поддержкой HART) являются ведомыми устройствами и всегда реагируют только на запрос ведущего устройства HART. При работе коммуникационные узлы можно добавлять или удалять, не прерывая процесса связи.

Для настройки датчиков с поддержкой HART используются либо ручные управляющие модули - коммуникаторы, либо связка ПК-HART модем-специальное программное обеспечение. Несмотря на то, что HART протокол является стандартизированным и открытым протоколом не все устройства могут быть сконфигурированы с помощью одного HART коммуникатора или модема со специализированным программным обеспечением (например, PACTware). Большинство производителей выпускает коммуникаторы и модемы предназначенные, в большинстве случаев, для работы только с выпускаемыми этим же производителем приборами. Некоторые модели коммуникаторов (правильнее их будет называть пультами настройки с поддержкой HART) и вовсе могут работать только с одним определенным типом датчиков, но при этом их стоимость на порядок меньше, чем стоимость универсальных коммуникаторов.

При подключении HART коммуникатора или модема к не поддерживаемому типу датчиков в лучшем случае удается посмотреть (иногда и изменить) диапазон измерения, единицы измерения, величину выходного сигнала, а также откалибровать точку нуля. Откалибровать чувствительность или зайти в меню расширенных настроек Advanced setup в большинстве случаев не удастся. Для того, чтобы получить возможность работы с данным типом датчиком нужно загрузить в коммуникатор (или программное обеспечение модема) файл-описание этого датчика, так называемый драйвер описания устройства (DD или DTM)

Скачать необходимые DD и DTM файлы для новых устройств с поддержкой HART или для тех устройств, которые отсутствуют в штатной библиотеке HART коммуникатора или программного обеспечения модема можно на официальном сайте ассоциации HART Communication Foundation или на сайте производителя применяемого оборудования КИП.

Выбор кабеля для HART связи.

Длина проводки в большинстве установок не превышает 3000 метров - это значение равно максимальной длине кабеля для HART. Однако максимальная длина кабеля может быть меньше в зависимости от электрических характеристик кабеля - особенно его емкости - и количества подключенных устройств (коммуникационных узлов). В таблице показано, какое ограничение емкость кабеля и количество подключенных устройств накладывают на максимальную длину кабеля для HART связи.

Указанные в таблице значения относятся к типичным устройствам HART в не искробезопасных или взрывозащищенных окружающих средах, то есть без влияния различных последовательных импедансов. Подробная информация о вычислении максимальной длины кабеля для всех контуров HART предоставлена в спецификации физического уровня HART.

Количество устройств в сети	Длина кабеля при погонной емкости, м
Количество устройств в сети	65 пФ/м	95 пФ/м	160 пФ/м	225 пФ/м
1	2800	2000	1300	1000
5	2500	1800	1150	900
10	2100	1600	1000	750
15	1800	1400	900	700

Как правило, проводка HART должна выполняться витой парой. Если используются очень тонкие и/или длинные кабели, то сопротивление кабеля и, следовательно, полная нагрузка увеличиваются. В результате растет ослабление и искажение сигнала, в то время как критически важная скорость передачи данных в сети уменьшается. Если возможны электромагнитные помехи со стороны другого работающего рядом оборудования, то кабели должны быть экранированными, особенно при большой длине линий связи. Сигнальный контур и кабельный экран должны заземляться только в одной общей точке.

Согласно спецификации HART при выборе типа кабеля нужно следовать следующим основным правилам:

Для коротких расстояний (несколько десятков или сотен метров) достаточно простых не экранированных двухпроводных линий с сечением жил не менее 0,2 мм2;
Для расстояний до 1,5 км должны использоваться отдельные витые пары с общим экраном кабеля сечением более 0,2 мм2;
Для расстояний от 1,5 км до 3 км необходимы отдельные витые двухпроводные линии, экранированные попарно с сечением жил проводов не менее 0,2 мм2.

Важная особенность протокола HART - возможность использования существующей проводки. Спецификация HART не предписывает какого-то специального типа разъема для подключения коммуникатора или HART-модема, поскольку полярность не влияет на оценку частоты сигнала HART. Поэтому подключение HART коммуникаторов и модемов к линиям связи 4-20 мА датчиков осуществляют с помощью простых зажимных клемм, например, типа "крокодил" или "паучья лапка".

При установке устройств с поддержкой HART убедитесь, что нагрузка устройства HART не превышает 1100 Ом согласно спецификации на данный протокол связи. Технологический контроллер или вторичный прибор должны быть способны обеспечить питание для подключенного двухпроводного устройства HART.

Достоинства и недостатки протокола HART.

Протокол связи HART имеет следующие достоинства:

Простая настройка, сервис и техническое обслуживание устройств с поддержкой HART;
Совместимость с обычными аналоговыми полевыми устройствами и датчиками;
Открытый стандарт, доступный каждому изготовителю оборудования КИП;
Достаточно высокая помехоустойчивость.

Согласно исследованию, проведенному компанией ARC Advisory Group в конце 2010 года 46% от 69,2 млн. контрольно-измерительных приборов и устройств, установленных по всему миру имеют поддержку HART и тенденция увеличения количества подобных устройств сохраняется.

Главным недостатком HART является то обстоятельство, что усовершенствования протокола могут производиться только в области программного обеспечения, а не в аппаратной части протокола (в связи с необходимостью поддерживать совместимость со "стареющей" технологией аналоговой аппаратуры). Следовательно, сегодня HART является медленной технологией по сравнению с другими протоколами и системами связи.

HART-протокол

HART -протокол (Highway Addressable Remote Transducer – Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь), разработан фирмой Fisher Rosemount Inc .

Скоростьпередачи данных по стандарту HART -протокола до 1200 бит/с. Обмен реализуется по принципу Master /Slave . В сети может присутствовать до 2 Master -узлов, при этом второй Master , как правило, предназначен для связи с какой-либо системой контроля или отображения данных.

Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда». Для передачи данных по сети используются два режима:

По схеме «запрос-ответ», режим реализует асинхронный обмен данными со временем одного цикла 500 мс;

Все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на Master -узел со временем обновления данных в Master -узле 250÷300 мс.

Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну пару проводов. Питание осуществляется по шине.

Весь набор команд, реализованных в HART -протоколе, условно можно разделить на три группы:

- Универсальные команды . Это команды общего назначения и используются на уровне операторских станций: код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных.

- Команды для групп устройств : фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д.

- Команды, зависящие от устройства : старт/стоп, специальные функции калибровки и т.д.

За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART -устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Структура информационного кадра имеет следующий формат: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля нечетности, 1 стоповый бит. Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.

HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK ), используемого для посылки цифровой информации по телефонным сетям, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4÷20 мА. Для представления двоичных «1» и «0» используются две разные частоты, 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно (рис. 2.24).

Рис. 2.24. Форма сигнала передачи

Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HART протокола соответствует физическому уровню OSI модели протоколов.

Среднее значение синусоидального сигнала равно нулю. Поэтому, несмотря на прохождение цифровых данных, к сигналу 4÷20 мА никакая компонента постоянного тока не добавляется. Следовательно, существующие аналоговые приборы продолжают работать как обычно, кроме того, осуществляется низкочастотная фильтрация, которая эффективно отбрасывает коммуникационный сигнал, например, однополосный низкочастотный фильтр 10 Гц уменьшает коммуникационный сигнал до амплитуды колебаний примерно ±0,01 % от аналогового сигнала.

Поскольку двоичные числа передаются на скорости обмена данными 1200 бод, число «1» представлено одиночным циклом 1200 Гц, а число «0» представлено приблизительно двумя циклами 2200 Гц.

Протокол HART определяет, что главные устройства (ведущая система управления или ручной коммуникатор) передают сигнал в виде напряжения, в то время как подчиненные (первичные) устройства передают токовый сигнал. Токовый сигнал преобразуется в соответствующее напряжение с помощью сопротивления нагрузки контура, которое должно быть в пределах от 230 до 1100 Ом. Следовательно, все устройства должны использовать такие приемники, схемы которых способны принимать напряжение.

Уровни коммуникационного сигнала HART протокола приведены в таблице 2.9. Все значения даны между пиками сигнала (двойная амплитуда).

Таблица 2.9. Уровни коммуникационного сигнала

Характеристики чувствительности приемника допускают некоторое затухание сигнала из-за кабеля или воздействия других составляющих. Характеристика порога приемника уменьшает вероятность помех внешних сигналов и предотвращает пересечение с другими HART сигналами.

Стандартная схема соединения двухпроводного передатчика показана на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Схема соединения двухпроводного передатчика

На практике все три объекта, блок питания, передатчик и сопротивление нагрузки (R ), могут быть соединены в любом порядке.

Ручной коммуникатор или коммуникационные схемы главного устройства не должны быть подсоединены непосредственно параллельно источнику питания. Они должны подсоединяться либо к двум проводам первичного прибора в точках А и В , либо через сопротивление нагрузки в точках B и C , в этом случае цепь замыкается через источник питания.

HART протокол содержит в каждом сообщении адрес назначения. Установив для каждого подчиненного устройства уникальный адрес, можно несколько таких устройств подсоединить параллельно с помощью одной пары проводов. Каждое устройство отвечает только на посланные в его адрес сообщения. Поскольку весь диапазон сигнала 4÷20 мА в данном случае не имеет смысла, присвоение ненулевого адреса устанавливает аналоговый сигнал на уровень 4 мА, что достаточно для питания устройства, такое решение уменьшает общее потребление питания. Пример реализации режима моноканала приведен на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Метран-280 в многоточечном режиме

На рисунке 2.26 обозначено: БП – блок питания; PV 1 – HART -модем; PV 2 – компьютер.

При работе не в моноканале (одно подчиненное устройство) первичная переменная может быть считана либо как аналоговая величина, либо по цифровой связи. В режиме моноканала считывать первичную переменную можно только с помощью цифровой коммуникации, поскольку аналоговый сигнал более не доступен.

Для связи с HART -устройствами служат следующие изделия:

1. HART -коммуникатор – портативное устройство, предназначенное для считывания информации, удаленной настройки и конфигурирования интеллектуальных полевых приборов;

2. HART -модем – служит для связи персонального компьютера или системных средств АСУ ТП с интеллектуальными датчиками. Обеспечивает высокую надежность передачи данных. Используется с программным обеспечением (AMS , Visual Instrument , H –Master ) для настройки интеллектуальных.

3. HART -мультиплексор – обеспечивает связь персонального компьютера или средств АСУ ТП с 8-ю или 16-ю интеллектуальными датчиками и любыми другими устройствами, поддерживающими HART -протокол. Мультиплексор обеспечивает преобразование информационного сигнала HART в цифровой сигнал интерфейса RS -485 или RS -232, при этом аналоговый сигнал 4÷20 мА токовой петли может использоваться системой регистрации и управления.

2.4.3. AS – интерфейс

Назначение AS -интерфейса (Actuators Sensors Interface – ASI ) – обеспечение взаимосвязи исполнительных устройств и датчиков. В интерфейсе ASI предусмотрены шлюзы в другие промышленные сети – ModBus , PROFIBUS , INTERBUS-S , Device Net .

Топологией ASI -сети может быть шина, кольцо, дерево или звезда. В качестве среды передачи данных используется специальный двухжильный кабель, по которому как передаются данные, так и подается питание на устройства. Характеристики сети ASI приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10. Характеристики AS – интерфейса

Логическим центром любой топологии является один Master -узел, который контролирует работу сети и организует обмен данными с PLC . ASI -Master может быть организован на широком спектре контроллеров, через которые организуются шлюзы в промышленные сети более высокого уровня. Часто ASI -Master оформляется в виде модуля контроллера или отдельной платы компьютера.

Максимальное число ведомых устройств (Slave –. Адрес каждого сетевого устройства записывается в его постоянной памяти.

Каждый узел ASI -сети имеет специальную интерфейсную микросхему с поддержкой ASI -протокола. По одной паре проводов интерфейс ASI позволяет передавать как данные, так и питание к узлам сети. Упрощенная схема ASI -сети представлена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Пример структуры ASI -сети

Для кодирования данных используется Манчестерский код, в котором «0» и «1» кодируются по восходящему и нисходящему фронту сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI -кабель внешних возмущений.

Уровня 4-20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.По этим же проводам может передаваться сигнал 4-20 мА.
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод . Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий - Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом . 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. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
В многоточечном режиме - 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. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также 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.
HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount . В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет - их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций . На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.

Общие сведения

Преимущества

высокая помехозащищённость
простота и низкая стоимость монтажа
дешевизна
широкая распространённость в мире и России

Недостатки

малые скорости.
нестабильное подлкючения.

Описание протокола

Физический уровень

Wired HART

HART over IP

Формат фрейма

Команды

Примечания

Ссылки

(англ.) Фонд HART-коммуникаций
- временные диаграммы, структура сообщений и т. д.
Образовательный сайт об АСУ ТП. Спецификация HART на английском

UART

Физические уровни

Точка-точка	токовая петля RS-232 IrDA HART модем
Сетевые	RS-422 RS-423 RS-485 LIN
Специальные	en:Kansas City Standard (Компакт-кассета , грампластинка).

Протоколы

Точка-точка	PPP SLIP IrDA HART ISO 7816
Сетевые	Modbus LIN DMX-512 P-NET Profibus

Сферы использования

Последовательный порт IrDA

Реализации

8250 UART 16550 UART

Wikimedia Foundation . 2010 .

Википедия

- (англ. Local Interconnect Network локальная сеть) стандарт промышленной сети, разработанный консорциумом европейских автопроизводителей и других известных компаний, включая Audi AG, BMW AG, Daimler Chrysler AG, Motorola Inc.,… … Википедия

DMX512 (англ. Digital Multiplex) стандарт, описывающий метод цифровой передачи данных между контроллерами и световым, а также дополнительным оборудованием. Он описывает электрические характеристики, формат данных, протокол обмена… … Википедия

P NET это промышленная сеть, которая была создана для объединения отдельных компонент вычислительного процесса, а именно: компьютера, датчиков, исполнительных устройств, устройств ввода/вывода, центрального и периферийного контроллеров… … Википедия

Протокол предназначен в основном для связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Он используется в тех областях, где высокая степень функциональности более важна нежели чем быстрое время реакции системы. При связи… … Википедия

Ихэтуаньское восстание … Википедия

Н. К. Рерих «Мадонна Орифламма» Пакт Рериха (англ. The Roerich Pact), так же известный как Договор об охране художественных и научных учреждений и исторических памятников (англ. Treaty on the Protection of Artistic and Scientific Institutions and … Википедия