HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА. Системы автоматизации и управления технологическими процессами
Гавин Бакши, Одри Дейриен (Texas Instruments)
Устройства связи в системах промышленной автоматизации позволяют передавать данные, команды и другую информацию для оптимизации управления технологическим процессом и автоматизации производства. Обслуживающему персоналу затруднительно следить за всем оборудованием на заводе – это бы существенно снизило производительность.
Один из способов автоматического контроля промышленного оборудования – это использование токовой петли 4…20 мА. Первичная переменная (PV) передается как значение тока в диапазоне 4…20 мА в двухпроводной линии с питанием датчика по тем же двум проводам. Недостаток этого метода заключается в том, что вы можете контролировать только одну переменную. Протокол Скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (Highway Addressable Remote Transducer, HART) дает возможность передавать больше информации по той же двухпроводной системе. Протокол HART является распространенным методом связи в промышленной автоматизации на протяжении уже многих лет. Рассмотрим, работу HART, но сперва вспомним, как возник этот метод.
В конце 1990-х годов в телекоммуникации был принят стандарт Bell 202 для передачи информации о вызывающем абоненте в линии голосового сигнала. Частотная манипуляция сигнала (FSK) в звуковом диапазоне, которая использует модулированные тоны для передачи цифрового сигнала, передает цифровую информацию, содержащую номер телефона. Передача данных со скоростью 1200 бит/сек с использованием тональных частот 1200 и 2200 Гц, представляющих двоичный «1» или «0» соответственно, показана на рисунке 1.
Информация о вызывающем абоненте не создает помехи голосовому сигналу, так что вся она может передаваться по одной и той же физической линии. Внедрение способа “Bell 202 FSK” позволило еще до снятия трубки на принимающей стороне отправлять большой объем данных, который может быть выделен и использован для передачи информации номера вызывающего абонента. После того как трубка телефона поднята, передача сигнала FSK прекращается, и голосовой сигнал будет принят и передан на динамик телефонной трубки.
В примере с передачей информации о вызывающем абоненте речевой сигнал представляет собой первичную переменную (PV). Аналогичным образом в промышленных приложениях сигнал, который должен постоянно контролироваться, известен как основное измеряемое значение. Основным измеряемым значением может быть температура или уровень давления, измеряемые в промышленных установках.
Модем HART модулирует и демодулирует сигнал с использованием FSK таким же образом, как и система передачи Bell 202. Теперь возможно передавать цифровые данные, к примеру, идентификацию датчика или устройства, данные калибровки или другую диагностическую информацию по той же двухпроводной петле, по которой передается и сигнал постоянного тока 4…20 мА. Такая система обычно называется «гибридной», поскольку она сочетает в себе как цифровые, так и аналоговые сигналы. На рисунке 2 показаны аналоговый сигнал и наложенный цифровой сигнал.
Протокол HART имеет два основных режима работы: «точка-точка» и режим множественного доступа. В режиме «точка-точка» имеется одно ведущее устройство и одно ведомое. Преимущество этого режима заключается в том, что цифровые данные легко передаются по существующей линии 4…20 мА, что обеспечивает более детальный мониторинг устройства по существующей инфраструктуре сетей связи. В режиме множественного доступа к одной линии присоединяется несколько ведущих и ведомых устройств, поэтому могут передаваться только данные протокола HART FSK, а постоянный ток в линии фиксируется на уровне 4 мА. Режим множественного доступа может быть полезен, если много вынесенных устройств обменивается данными с единой системой управления, но в этом случае постоянный ток интерфейса «токовая петля» не может быть использован для непрерывного отслеживания основного измеряемого значения.
HART – это гибкий способ коммуникации для различных приложений промышленной автоматизации. Сам метод предлагает множество преимуществ, которые снижают стоимость, упрощают проектирование и обеспечивают такие результаты, как:
- передача (сопутствующей) цифровой информации без прерывания основного аналогового сигнала;
- простая реализация с использованием существующей двухпроводной инфраструктуры 4…20 мА;
- гибкие способы работы для удовлетворения потребностей различных систем.
Семейство микросхем DAC8740H производства компании Texas Instruments объединяет модем HART вместе со всеми сопутствующими компонентами, такими как источник опорного напряжения и генератор, что облегчает встраивание в готовую систему.
Продолжение темы читайте в статье «Передатчики стандарта 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.
Протокол HART, согласно стандарту Bell 202, обеспечивает передачу данных со скоростью 1200 бит/сек без прерывания сигнала 4-20 mA, что позволяет главному передатчику (мастеру) обновлять информацию о полевом устройстве более двух раз в секунду. На одну токовую петлю HART может подсоединяться два главных устройств. Основное устройство обычно является системой управления или ЭВМ, в то время как другое главное устройство может быть переносным коммуникатором или портативным компьютером.
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 протоколу:
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.
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).
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
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 мм 2 . Для больших расстояний (до 1500 м) используется экранированный жгут витых пар сечением 0,2 мм 2 . Дистанции до 3000м требуют применения экранированной витой пары сечением 0,5 мм 2 .
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. 4.7. 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 – м аксимальное 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.
5. Протокол передачи данных PROFIBUS
В оборудовании, используемом в области автоматизации технологических процессов, таком как датчики, исполнительные механизмы, передаточные устройства, приводы и программируемые логические контроллеры, все большее применение находит цифровая микроэлектроника. Для связи этих цифровых устройств промышленного назначения с более высокоуровневыми компонентами автоматизации все чаще применяются бит-последовательные промышленные шины (bit serial Fieldbus). В настоящее время в области шин промышленного назначения (Fieldbus) используются разнообразные сети частного применения. Зачастую это приводит к изолированным несовместимым решениям
Необходимость в открытой, независимой от поставщика системе связи привела к разработке и стандартизации PROFIBUS.
- Доступ к функциям настройки и диагностики всех датчиков и устройств
- Поддержка передачи нескольких измеряемых параметров от одного датчика
- Статус полевых устройств в режиме On-line
Совместимость HART с аналоговыми датчиками
- Передача параметров по аналоговой цепи и цифровой интерфейс через одну линию связи
- Совместимость с существующим оборудованием 4-20 мА
- По факту полностью открытый стандарт
- Общие стандарты команд и структуры данных
- Возможность передачи уникальных данных и максимальная совместимость, используя Device Description Language (DDL).
Доступность HART
- Проверенная в полевых условиях технология с более чем 1,400,000 установленных устройств
- Большой и постоянно растущий выбор совместимых продуктов
- Используется большим количеством цифровых интеллектуальных устройств, чем для любого другого промышленного протокола.
Введение
HART – это протокол передачи данных между полевыми устройствами, широко известный промышленный стандарт, основанный на передачи цифровых данных по линии связи 4-20 мА между интеллектуальными приборами. Применение этой технологии широко распространено, и сегодня подавляющее большинство крупнейших производителей приборов предлагает продукты с поддержкой HART протокола.
HART протокол обеспечивает уникальную обратную совместимость для интеллектуальных приборов, совмещая аналоговые линии 4-20мА с цифровым интерфейсом передачи данных, передаваемых одновременно по тем же проводам. HART обеспечивает множество преимуществ цифровых полевых протоколов, дополняя доступность и распространенность существующих систем 4-20 мА.
В среднем, устройства с HART протоколом обеспечивают до 10 000 – 15 000 рублей экономии на монтаже и пуско-наладке и до 3 000 – 5 000 экономии в год на эксплуатации и обслуживании для каждого прибора.
Аналоговая + Цифровая связь
Уже много лет, полевым стандартом передачи данных в системах автоматизации является аналоговый токовый сигнал (мА). В большинстве случаев он представляет собой милиамперный сигнал в диапазоне от четырех до двадцати ампер, величина которого пропорционально соответствует измеряемой величине. Этот сигнал используется повсеместно на предприятиях всех стран мира.
Одновременная Аналоговая + Цифровая связь
Полевое протокол передачи данных HART расширяет границы стандарта 4-20 мА до возможностей организации интеллектуальных систем измерения и управления процессами. Разработка этого протокола стала важным шагом в эволюции средств автоматизации и расширения возможностей приборов. Технология, расширяющая возможности передачи данных, получила название HART, что означает “Highway Addressable Remote Transducer” (высокоскоростной адресный удаленный передатчик).
Рисунок 1 - HART использует метод частотного сдвига для передачи
цифрового сигнала на верхнем уровне 4-20 мА аналогового сигнала
HART протокол обеспечивает двухсторонний обмен данным с цифровыми устройствами без прерывания аналогового сигнала 4-20 мА. И аналоговый 4-20 мА и цифровой HART сигнал могут передаваться одновременно по одним и тем же проводам. Основной параметр и состояние линии связи передаются через стандарт 4-20 мА, в то время как дополнительные измеряемые параметры, данные о процессе, настройки прибора, калибровочные данные и диагностическая информация передаются через HART протокол по тем же проводам в то же время. В отличии от других «открытых» цифровых протоколов для промышленных приборов, HART совместим с существующими системами, что значительно упрощает его планомерное внедрение с минимальными затратами.
Технология HART
В основе HART протокола заложен стандарт частотного сдвига Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) - модуляция цифрового сигнала на нижнем уровне сигнала 4-20 мА. При этом модуляция FSK никак не влияет на сигнал 4-20 мА. Логическая единица соответствует частоте 1200 Гц, а логический ноль соответствует частоте 2200 Гц, как показано на рисунках 1 и 2.
HART FSK передача данных обеспечивает двухстороннюю цифровую связь и делает возможным передачу дополнительной информации от или к интеллектуальному полевому устройству, не влияя на передачу основного параметрам. HART передает данные со скоростью 1200 бит в секунду и позволяет главному в сети (master) получать два и более пакета данных в секунду от полевого устройства.
Рисунок 2 - Цифровой сигнал HART накладывается на
4-20 мА аналоговый сигнал
Гибкое применение
HART построен по принципу master/slave протокола, что означает, что полевое устройство (slave) передает данные только в ответ на запросы другого устройства (master). В HART сети могут отправлять запросы к полевым устройствам (slave) два мастера (primary и secondary). Secondary мастер, например, переносной коммуникатор, может подключаться практические в любой точке сети и работать с полевыми устройствами без влияния на работу устройств с Primary мастером. Как правило, Primary мастерами являются контроллеры и компьютеры, т.е. центральные устройства в АСУТП. Типичная схема работы с двумя мастерами представлена на рис. 3.
HART протокол может использоваться в различных режимах связи от или к интеллектуальных полевых устройств и к центральному пульту управления или контролирующего оборудования. Цифровая передача master/slave в сочетании с аналоговым сигналом 4-20 мА очень распространены. В этом режиме, в то время как основной параметр стабильно передает по аналоговой сети 4-20 мА для организации контроля и управления процессом, параллельно дважды в секунду обновляется информация по дополнительным параметрам.
Рисунок 3 - HART протокол позволяет 2 устройствам типа "master"
обмениваться информацией с полевыми устройствами типа "slave"
Пример применения
Возможности HART протокола демонстрируются на рисунке 4. Этот пример применения иллюстрирует возможности одновременной передачи данных 4-20 мА и HART данных по одним и тем же проводам.
В этом пример, HART совместимый преобразователь имеет встроенную функцию ПИД регулирования. Устройство сконфигурировано таким образом, что сигнал в цепи 4-20 мА пропорционален значению регулирования по ПИД алгоритму, рассчитанному непосредственно в устройстве (то есть из преобразователя выходит сигнал не измеряемой величины). Поскольку в цепи 4-20 мА подается сигнал ПИД управления, то он используется для прямого управления клапаном.
Сигнальная цепь организована непосредственно между полевыми устройствами: преобразователей (с ПИД регулированием) и управляющим клапаном. Функция управления клапаном реализована на базе традиционного сигнала 4-20 мА, в то время, как связь по цифровому протоколу HART позволяет оператору изменять параметры алгоритма ПИД регулирования, получать информацию о первичной измеряемой величине и положении клапана.
Рисунок 4 - Некоторые приборы со встроенными ПИД алгоритмами и с HART
сокращают затраты на реализацию систем управления процессом
Лучшее решение
HART протокол обеспечивает потребителей лучшими решениями автоматизации с возможностью постепенного или частичного внедрения интеллектуальных полевых устройств в существующую систему. На сегодняшний день, никакая другую технология не может быть сопоставима со спектром линейки продукции с поддержкой HART. Технология проста для применения, а HART совместимые продукты выпускаются всеми основными производителями средств измерений и управления процессами.
Сложно представить, что какой-либо другой протокол передачи данных может заменить HART как при модернизации существующего производства, так и при построении абсолютно новых производственных процессов. HART предлагает пользователям множество тех же преимуществ, что и другие полевые протоколы, но при это сочетает в себе совместимость и простоту существующих систем 4-20 мА. HART даёт экономию затрат за счет удаленной связи, разнообразную и достоверную информацию о процессе, диагностику полевых устройств и мощный многопараметрический обмен данными без замены существующих систем управления.
Выбор HART при подключении к существующим и вновь строящимся АСУТП основан на широких возможностях цифровой передачи данных и огромным накопленным опытом (более 5 000 000 установок по всему миру).
Для поддержки и развития протокола HART существует организация HART Communication Foundation, которая гарантирует, что технология будет на работать на Ваше благо и сегодня и завтра.
Полевой коммуникационный протокол HART широко применяется в промышленности как стандарт для цифровой коммуникации со "smart"-приборами. Его особенность в том, что он использует для передачи цифровых данных низкоуровневую модуляцию, наложенную на аналоговый сигнал 4-20 mA (токовая петля), который сейчас широко используется для таких измерений. Поскольку сигнал HART-протокола несущественный, и составлен из синусоидальных колебаний, то он оказывает минимальное влияние на точность несущего аналогового сигнала, который поэтому тоже может использоваться. Это свойство обеспечивает взаимозаменяемость с существующими системами, при расширении оных для возможности получения нескольких переменных процесса, для конфигурации, проверки статуса, диагностики устройств, и так далее.
Структура сообщений протокола, наборы команд.
Набор команд HART организован в три группы и обеспечивает доступ для чтения/записи широкого массива информации, доступной в полевых устройствах.
Универсальные команды обеспечивают доступ к основной информации, например, производитель, модель, порядковый номер, дескриптор(строка-описатель), пределы измерений, переменные процесса. Все устройства HART должны поддерживать универсальные команды.
Общие практичные команды обеспечивают доступ к функциям, которые могут поддерживаться многими устройствами, но не всеми.
Специфические команды устройства обеспечивают доступ к функциям, которые, возможно, уникальны и поддерживаются только данным устройством.
"Master-slave"
HART - протокол типа "Master-slave", это значит, что обмен инициируется только мастер-устройством, слэйв-устройства отвечают только тогда, когда получают на свой адрес запрос. Ответ слэйв-устройства означает, что команда успешно получена, и содержит данные, запрошенные мастером. Протокол HART позволяет иметь два активных master-устройства в системе - primary и secondary. Два master-устройства имеют различные адреса, таким образом они могут идентифицировать ответы на свои команды.
Монопольный режим (burst mode)
Чтобы достичь высокой скорости передачи данных, некоторые устройства позволяют переход в так называемый монопольный режим, или burst mode. При этом устройство начинает посылать запрошенные данные непрерывно, с некоторым интервалом (необходимым для возможности посылки команды, отключающей монопольный режим - команды #107,#108,#109 ). В общем случае монопольный режим может быть полезен только при подключении одного устройства к паре проводов - только одно устройство на токовой петле может быть в монопольном режиме.
Кодировка символов и скорость передачи
HART-сообщения кодируются сериями 8-битных символов, или байтов. Они передаются последовательно, согласно конвенции UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), с добавлением стартового бита, бита контроля нечетности (parity = odd) и стопового бита. Скорость передачи данных определяется стандартом Bell 202 и равна 1200 bps. Т.е. настройки порта - 1200 bps, 8 bits, odd, 1 stop.
Формат сообщений HART
Преамбула состоит из 5-20 байт FF (все еденицы). Это позволяет приемнику синхронизировать частоту сигнала и входящий поток байт.
Стартовый байт в HART-сообщениях может принимать несколько возможных значений, определяющих формат используемого фрейма, источник сообщения, и режим передачи (нормальный или монопольный). Ниже приведены возможные значения:
При ожидании сообщения устройства-приемники слушают линию до прихода одного из этих байт после как минимум двух байт FF. Это означает начало сообщения.
Поле адреса включает оба адреса master- и slave-устройств. Они могут состоять из 1 байта (короткий фрейм - short frame format) или из 5 байт (длинный фрейм - long frame format). В обоих фреймах адрес master-устройства занимает 1 первый бит (primary - 1; secondary - 0). Адрес slave-устройства занимает остальные биты. В коротком фрейме адрес slave-устройства - от 0 до 15 - так называемый polling address. В длинном фрейме polling address не используется, вместо него остающиеся биты заполняет уникальный идентификатор slave-устройства, используемый как адрес. Если эти биты запонить нулями, получится широковещательный адрес, такое сообщение получат все устройства. Это возможно только в случае если данные в сообщении однозначно определяют какое устройство должно ответить.
Командный байт - целое число в диапазоне от 0 до 253 (0xFD), представляет собой одну из HART-команд. Полученный командный код передается и обратно при ответе slave-устройства.
Счетчик байт - количество байт в данном сообщении (статус и данные, контрольная сумма не включается). Приемник использует его для идентификации байта контрольной суммы и того, что все сообщение получено. Рассчитывается как сумма количества байт полей статуса и данных. Из-за лимита поля данных в 25 байт счетчик байт может принимать значения от 0 до 27.
Поле статуса включается только в сообщения-ответы от slave-устройства. Оно состоит из 2 байт, сообщающих о ошибках коммуникации, статусе полученного сообщения (такие как устройство занято или не распознало команду) и оперативном состоянии slave-устройства.
Поле данных. Не все команды и ответы содержат поле данных. Максимальная длина поля - 25 байт (хотя это жестко и не оговаривается в спецификации HART). Данные могут быть в форме целых чисел без знака, чисел с плавающей точкой (IEEE754) или строк символов ASCII. Число байт и формата данных, используемых для каждого элемента, указывается для каждой команды.
Байт контрольной суммы рассчитывается как продольная четность байт ("longitudinal parity"), предшествующих ему начиная со стартового байта включительно. Используется для проверки целостности передачи.
Формат поля статуса
Байт 1 - статус полевых устройств
Байт 2 - ошибки соединения
Описание универсальных команд HART
КОМАНДА #0 ЧТЕНИЕ УНИКАЛЬНОГО ИДЕНТИФИКАТОРА Это команда из категории управления канального уровня. Возвращает расширенный код типа устройства, номера версий и идентификационный номер устройства.
КОМАНДА #1 ЧТЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ Чтение Первичной Переменной (ПП). ПП возвращается в формате с плавающей запятой.
КОМАНДА #2 ЧТЕНИЕ ПП КАК ВЕЛИЧИНЫ ТОКА И В ПРОЦЕНТАХ ОТ ДИАПАЗОНА Чтение Первичной Переменной как величины тока в миллиамперах и в процентах от диапазона. Величина ПП в миллиамперах всегда равна текущему значению Аналогового Выхода устройства включая состояние алармов и другие настройки. Величина ПП в процентах от диапазона всегда идет следом, даже если токовое значение ПП находится в состоянии аларма или зафиксировано на определенном значении. Кроме того, величина в процентах от диапазона не ограничена пределами между 0% и 100%, а отслеживает значение ПП за пределами заданной шкалы но в пределах границ измерения сенсора, если они заданы.
КОМАНДА #3 ЧТЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕМЕННЫХ И ТОКОВОГО ЗНАЧЕНИЯ ПП Чтение величины тока, отражающего значение ПП, и до четырех предопределенных Динамических Переменных. Токовое значение ПП всегда отражает величину Аналогового Выхода устройства включая состояние алармов и другие настройки. Содержание Вторичной, Третьей и Четвертой Переменных зависит от типа устройства (например, Вторичная Переменная для датчика давления 3051 показывает температуру измерительной ячейки датчика).
КОМАНДА #4 ЗАРЕЗЕРВИРОВАНО
КОМАНДА #5 ЗАРЕЗЕРВИРОВАНО
КОМАНДА #6 ЗАПИСЬ АДРЕСА УСТРОЙСТВА Это команда из категории управления канального уровня. Записывает адрес в полевое устройство. Адрес используется для управления Аналоговым Выходом Первичной Переменной и является средством идентификации при работе нескольких устройств на одной шине.
КОМАНДА #11 ЧТЕНИЕ УНИКАЛЬНОГО ИДЕНТИФИКАТОРА АССОЦИИРОВАННОГО С ТЭГОМ Это команда из категории управления канального уровня. Возвращает Расширенный код типа устройства, номера версий, и идентификационный номер устройства содержащий заданный тэг. Она будет выполнена, когда будут получены Расширенный адрес или Широковещательный адрес. Расширенный адрес в ответном сообщении это тоже самое что и запрос.
КОМАНДА #12 ЧТЕНИЕ СООБЩЕНИЯ Читает Сообщение, содержащееся в устройстве.
КОМАНДА #13 ЧТЕНИЕ ТЭГА, ОПИСАТЕЛЯ, ДАТЫ Читает Тэг, Описатель и Дату, содержащиеся в устройстве.
КОМАНДА #14 ЧТЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ СЕНСОРА ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ Читает Серийный Номер Сенсора Первичной Переменной Процесса, минимальную и максимальную шкалу измерения сенсора, и код единиц измерения для этих величин.
КОМАНДА #15 ЧТЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ О ВЫХОДНОМ СИГНАЛЕ ПО ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ Читает код аларма ПП, код функции преобразования ПП, код единиц диапазона ПП, верхнюю границу диапазона ПП, нижнюю границу диапазона ПП, величину демпфирования ПП, код защиты от записи, и код метки продавца, ассоциированный с устройством или Первичной Переменной.
КОМАНДА #16 ЧТЕНИЕ СБОРОЧНОГО НОМЕРА УСТРОЙСТВА Читает Сборочный Номер, принадлежащий этому устройством.
КОМАНДА #17 ЗАПИСЬ СООБЩЕНИЯ Записывает Сообщение в устройство.
КОМАНДА #18 ЗАПИСЬ ТЭГА, ОПИСАТЕЛЯ, ДАТЫ Записывает Тэг, Описатель и Дату в устройство.
КОМАНДА #19 ЗАПИСЬ СБОРОЧНОГО НОМЕРА УСТРОЙСТВА Записывает Сборочный Номер в устройство.
Формат универсальных команд HART (HART Revision 5)
Типы данных в таблице:
A ASCII string (packed 4 characters per 3 bytes) B Bit-mapped flags D Date (3 bytes: day, month, year-1900) F Floating point (4 bytes IEEE 754) H Integers xxxxx yyy (xxxxx = hardware revision, yyy = physical signalling code) Unmarked items are 8-, 16- or 24-bit integers (including enumerated code values).
Протокол HART - широко известный промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4-20 мА до возможности цифровой коммуникации. Использование этой технологии быстро растет, так как Заказчики уже оценили преимущества интеллектуального оборудования. Протокол HART позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов. При этом сохраняется полная совместимость и надежность существующих аналоговых линий 4-20 мА.
HART это:
- Открытый стандарт, работающий с любой системой управления
Протокол HART поддерживается всеми ведущими производителями оборудования и программного обеспечения в области промышленной автоматизации. - Одновременная аналоговая и цифровая коммуникация
HART-протокол позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов. - Совместимость с существующим оборудованием 4-20 мА и линиями связи
Фактически, датчики с HART можно ставить на место аналоговых и с помощью средств HART-коммуникации использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующих аналоговых системах. - Удаленная диагностика и настройка
Технический персонал может дистанционно осуществлять диагностику и настройку полевых приборов, используя для этого коммуникатор или компьютер с соответствующим программным обеспечением. Это особенно удобно в зимний период времени, когда датчики расположены в труднодоступных местах, на больших расстояниях друг от друга, а так же в условиях вредных или опасных производств. - Возможность подключения к одной линии нескольких датчиков
Объединение интеллектуальных датчиков в систему с цифровой передачей данных позволяет сократить расходы на кабельную продукцию, установку, наладку и на текущее техническое обслуживание. - Передача нескольких параметров одновременно
HART-протокол удобен при работе с многопараметрическими приборами (например, расходомерами), т.к. позволяет получать информацию о нескольких переменных процесса по одной паре проводов. - Использование во взрывоопасных зонах
Приборы, поддерживающие HART-протокол, могут устанавливаться во взрывоопасных зонах класса 0, класса 1 и класса 2. - Оперативная информация о состоянии прибора
Непрерывная самодиагностика обеспечивает высокую надежность оборудования. Информация о состоянии прибора передается в каждом сообщении от устройства. - Доступ к параметрам прибора
Пользователь имеет возможность прочитать любые параметры датчика: значения переменных, единицы и диапазон измерения, индивидуальные параметры прибора (позиция по проекту, дата последней калибровки).
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Схема, поясняющая работу приборов по HART протоколу, представлена на рис.1.
Рис.1 Принцип обмена данными по HART-протоколу
Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" - два неполных периода 2200 Гц.
Как видно на рисунке, 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 "главный - подчиненный", 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
представлен на рис.2. 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.
Рис.2 Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом
В многоточечном режиме (рис.3) 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.
Рис.3 Многоточечный режим работы датчиков
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, линия 1).
