HART-протокол (Highway Addressable Remoute Transduser).

Протокол HART разработан фирмой Rosemount в середине 80-х годов. Он занимает промежуточное положение между аналоговой и полностью цифровой передачей данных и широко известен как промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4...20 мА до возможности цифровой коммуникации. При этом сохраняется полная совместимость и надежность существующих аналоговых линий 4...20 мА. Для передачи цифровой информации HART-протокол использует принцип частотной модуляции.

HART построен по принципу «ведущий/ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств: ПК управляющей системы и коммуникатора. Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART-протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом представлен на рис. 4.6. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых ИИС и ИИУС, а обмен по HART-протоколу происходит посредством портативного контроллера – HART-коммуникатора.

Рис. 4.6. Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом

Стандартная сеть с HART-протоколом. Наиболее широко распространенный, достаточно простой, давно устоявшийся и поддерживаемый подавляющим большинством фирм, выпускающих как контроллеры, так и интеллектуальные приборы – протокол HART был разработан в середине 80-х годов и стандартизировал в Америке. Протокол основан на аналоговой 4...20 мА технологии. Он нацелен на связь контроллера с интеллектуальными приборами и имеет два варианта их связи.

При первом варианте реализуется связь каждого прибора с контроллером по отдельной паре проводов, по которой могут проходить как аналоговый (например, 4...20 мА), так и цифровые сигналы. Последние содержат дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы измерения, дату калибровки, результаты самодиагностики и т. д.

При втором варианте связи реализуется соединение ряда приборов с контроллером по одной паре проводов, в этом случае по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Питание прибора осуществляется от блока питания в контроллере по этой же паре проводов.

Основные характеристики сети: метод доступа – ведущий/ведомый (в сети может быть до двух ведущих узлов); физическая среда передачи – по­следовательный порт RS-232C и витая пара; топология сети – звезда (при соединении к контроллеру датчиков с аналоговыми выходными сигналами) или шина (при цифровых выходных сигналах датчиков); режимы работы – асинхронный (когда ведущий узел посылает запрос, а ведомый – ответ) или синхронный (когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу); при шинной архитектуре к сети может быть подключено 15 ведомых узлов (обычно подключают до восьми приборов); длина линии связи до 1500 м; скорость передачи данных 1200 бит/с; протокол HART реализует по общей модели числа, наименования и состава уровней любого протокола – модели OSI первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной) уровни; команды от ведущих узлов могут быть трех видов: универсальные на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы специфические на конкретные ведомые узлы.

Каждое сообщение от прибора может содержать информацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Статус определяет оперативное состояние прибора: так называемый «нормальный последовательный статус» когда данные от него могут быть использованы для вычислений и управления; «нормальный непоследовательный статус», когда данные от него корректны но с прибором связана какая-то тревога; «неопределённый статус», когда данные не полностью корректны, но всё же могут быть использованы; «плохой статус», когда данные не могут быть использованы.

При этом можно удаленно осуществлять полную настройку и кон­фигурирование датчика. В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении 4 мА (только для питания устройства) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процессах считывается по HART-протоколу (рис. 4.7)

Рис. 4.7. Многоточечный режим работы датчиков

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Все приборы в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15 и обращение к каждому идёт по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

В качестве среды передачи сигнала используется кабель типа экранированная витая пара. В опасных зонах могут быть использованы барьеры искробезопасности, которые пропускают HART-сигнал. В HART-протоколе максимальная длина кабеля связана с эквивалентным сопротивлением сети и максимально допустимой емкостью системы. В табл. 4.8 представлена информация о максимальной длине кабеля как функции от числа приборов, подключенных к цепи и удельной емкости кабеля. Максимальная длина кабеля в многоточечном режиме (сечение кабеля

1, 02 мм)

Таблица 4.8

Зачастую в аналоговой ИИС или ИИУС присутствует множество интеллектуальных приборов, работающих в режиме совместимости с токовой петлей 4…20 мА. 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 (например, Метран-670). 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. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров, соединенных по RS-485, 16 каналов каждый).

Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (модель OSI), HART-протокол реализует следующие три уровня: физический, канальный и прикладной. Физический уровень описывает характеристики сигнала и среду передачи данных. Для передачи цифровой информации HART-протокол версии 5.0 использует метод частотной модуляции. В режиме тока, высокочастотная HART-составляющая накладываются на аналоговый измерительный сигнал 4...20 мА.

Двоичные значения передаются со скоростью обмена данными 1200 Бод. Логическая "1" представлена одиночным циклом 1200 Гц, а логический "0" приблизительно двумя циклами 2 200 Гц. Такой выбор частот для формирования сигнала и скорости передачи данных соответствует телефонному стандарту Вell 202 (кодировка сигнала методом частотного сдвига) в полудуплексной форме. HART-сигнал обеспечивает двухстороннюю цифровую коммуникацию. HART-протокол позволяет управляющей системе получить от удаленного устройства два – четыре цифровых сообщения в секунду (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Обмен данными по HART-протоколу

HART-сообщение кодируется как последовательность 8-разрядных байтов, которые передаются с использованием стандартного UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Универсального Асинхронного Приёмника/Передатчика). К каждому байту добавляется стартовый бит, бит чётности и стоп-бит (рис. 4.9).

Это позволяет принимающему устройству UART распознавать начало каждого символа и обнаруживать ошибку в разрядах из-за помех. В HAR1 -протоколе предусмотрена проверка на чётность. Таким образом, одиночный 8-разрядный байт посылается как следующая последовательность битов (рис. 4.9): один начальный бит (0), 8 битов информации, один бит четности и один конечный бит (1). Бит чётности верен (1), если количество единиц в информационном байте чётное.

Рис. 4.9. Формат байта в HART общении

Канальный уровень разделен на подуровни:

- логический контроль связи позволяет принимать сообщение;

- контроль доступа к среде определяет время обращения
определенного устройства к каналу для передачи сообщения.

Обмен информацией между HART-объектами выполняется в виде кадров. Кадр ограничен комбинацией символов: преамбулы и ограничителя, которые определяют начало кадра, и полем счётчика байт, которое оп­ределяет конец кадра (рис. 4.10). Всем кадрам, передаваемым HART-приборами, предшествует определенный набор шестнадцатеричных символов. Эти символы называются преамбулой и обусловлены задачами физического уровня для синхронизации приемника.

Рис. 4.10. Формат HART-кадра

Все части кадра, включая ограничитель, обеспечены двойной проверкой на чётность: в каждом передаваемом байте и контрольным байтом.

На прикладном уровне осуществляется взаимодействие с пользователем. Здесь описываются команды HART-протокола, используемые для работы с первичными HART-устройствами. Существует три типа HART команд: универсальные, общие и специальные (рис.4.11)

Рис. 4.11. Типы команд HART-протокола

Универсальные команды поддерживают все полевые HART-приборы. Эти команды обеспечивают интероперабельность между продуктами от разных производителей и доступ к наиболее общей информации, одинаковой для всех полевых приборов: переменные процесса, производитель, модель и маркировка.

Общие команды представляют функции, которые выполняют большое число полевых устройств. Эти команды являются необязательными. Они включают такие действия, как изменение диапазона, выбор единиц измерения и самотестирование. Обычно полевое HART-устройство поддерживает 12 – 15 общих команд.

Специальные команды различны для каждого прибора. Эти команды представляют уникальные функции устройства или способы доступа к данным и назначаются производителем.

Однако без подробного технического описания каждого полевого устройства трудно создавать программное обеспечение, использующее функции прибора в полном объеме. Эту возможность обеспечивает язык описания устройства (Device Description Language). Производители полевого оборудования применяют DDL для создания описания устройства (DD) со всеми уникальными характеристиками приборов. Таким образом, DDL-совместимая система может использовать все возможности устройства, включая поддержку специальных команд. Центральная база данных всех описаний устройств поддерживается фондом HART-коммуникации (HART Communication Foundation). Таким образом, приборы от разных производителей становятся полночью совместимыми.

Для расширения возможностей протокола фондом HART коммуникации недавно была утверждена версия протокола HART 6.0. Основным усовершенствованием этой версии является разработка нового фазомодулированного способа передачи данных, позволяющего значительно увеличить скорость обмена информации (от двух транзакций в секунду в версии 5.0 до 12 в версии 6.0). Новые спецификации HART 6.0 приведены в соответствие стандартам ISO и IEC (Международной электротехнической комиссии). Также в новой версии протокола расширен список стандартных команд. Основным требованием HART 6.0 является обеспечение обратной совместимости версий, то есть новая версия совместима с предыдущими.

Промышленная группа "Метран" – единственная российская компания, имеющая членство в фонде HART-коммуникаций. В течение последних пяти лет разработала и выпускает широкий спектр при­борной продукции с поддержкой коммуникационного протокола HART, начиная от датчиков давления, температуры, расхода до устройств коммуникации (HART-коммуникатор, HART-модем, HART-мультиплексор) и программного обеспечения (H-Master и MUX-Master). Все производимые приборы прошли проверку на соответствие требованиям спецификаций HART-протокола, что гарантирует их полную совместимость с HART-приборами от сторонних производителей.

Использование HART-протокола в информационных измерительных системах для автоматизации технологических процессов является оптимальным по стоимости и функциональности. Нет необходимости заменять существующую систему – датчики с HART можно устанавливать вместо аналоговых и использовать все преимущества цифрового обмена.

В качестве примера магистральных интерфейсов можно привести синхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи: 8-разрядные интерфейсы Microbus, X-bus, шина iSBX, 16-разрядные интерфейсы Unibus (отечественный аналог ОШ) Multibus, Q-bus, 32-разрядные интерфейсы Versabus, MCA, EISA, VESA, VESA-2, PCI.

В настоящее время существуют легко приспосабливаемые интеллектуальные интерфейсные блоки для первичных преобразователей, которые обеспечивают множество наиболее полезных свойств, предусмотренных стандартами типа IEEE 1451.2. Адаптивные возможности этих блоков позволяют соединять их с широким набором типов датчиков. Этот подход обеспечивает некоторые важные черты технологий ИД, такие как специальные электронные таблицы для конкретного датчика и возможности самоидентификации, не заставляя производителей датчиков переделывать свою продукцию в целях тесной интеграции с микроэлектронным интеллектом внутри своего датчика.

Интеллектуальные датчики (ИД) выглядят перспективными с позиций дистанционного доступа, специальных электронных таблиц датчика, возможностей сетевого интерфейса, но экономические и технические барьеры делают их неприемлемыми. Этот барьер может быть разрешен благодаря использованию «интеллектуальных и адаптируемых» сенсорных интерфейсов. Существует множество приложений, где возможности технологий ИД были бы весьма полезными. Однако вместо того, чтобы пытаться заставить производителей компонентов датчиков вводить «интеллектуальные» версии каждого датчика в свои каталоги, возможно, было бы лучше подумать об использовании интеллектуальных и адаптивных интерфейсных узлов для датчиков, Такие интеллектуальные интерфейсы позволили бы использовать привычные, существующие компоненты датчиков там, где требуются «интеллектуальные», сетевые датчики.