Что такое hart протокол

HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА

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:

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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.

Дополнительные сведения о HART протоколе можно найти в энциклопедии АСУТП.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое протокол HART, как он работает и каковы его особенности

Что такое протокол HART

Преимущества формирования связи между двумя машинами (или компонентами внутри них) для общения друг с другом были очевидными для специалистов по промышленной автоматизации и управлению еще до того, как Интернет вещей (IoT) стал распространенным явлением. Во многих случаях, например, требовалась отправка значений датчика температуры в центре коленчатого вала для управления реле привода двигателя и т. д,, и одним из протоколов связи, использованных для достижения этого, был протокол HART.

Протокол HART считается самым популярным протоколом в промышленной автоматизации (благодаря более чем 30 миллионам устройств на его основе), и сегодняшняя статья предоставит обзор того, что делает его таким особенным. Мы рассмотрим его принцип работы, функции, особенности и обновленные версии, такие как WirelessHART.

Протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) является одним из самых популярных протоколов открытых коммуникаций, используемых в промышленной автоматизации для отправки и получения цифровой информации по аналоговой проводке между интеллектуальными устройствами и системами управления. Этот протокол является усовершенствованием протокола последовательной связи, такого как RS485, и является средством, которое также широко используется в промышленности.

Он был разработан компанией Emerson в 1980-х годах как собственный протокол связи для устранения недостатков в существующем протоколе связи токовой петли 4-20 мА, который мог передавать только один параметр или измеренное значение. С помощью HART в промышленной автоматизации можно обеспечить двунаправленную связь, которая устраняет недостатки 4–20 мА, но также сохраняет инфраструктуру, поскольку протокол HART может отправлять цифровые сигналы, накладывая его на аналоговые сигналы без искажений или помех.

Результатом вышесказанного является создание двух одновременных каналов связи: аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Именно из-за этой комбинации протокол называется гибридным протоколом. Типичные приложения, такие как измерительные приборы, могут использовать сигнал 4-20 мА для отправки основного измеренного значения и использовать наложенный цифровой сигнал для отправки дополнительной информации.

Поддержка устройств на основе 4-20 мА означала, что компании могут продолжать использовать свое устаревшее оборудование. Это, наряду с тем, что протокол стал «открытым», привело к повышению уровня принятия протокола, пока он не стал стандартом де-факто в отрасли.

Принцип работы протокола HART

Связь HART осуществляется между двумя устройствами с поддержкой HART, обычно интеллектуальным полевым устройством и системой управления или мониторинга. Как описано ранее, устройства, основанные на протоколе, передают аналоговый сигнал, используя существующий подход 4-20 мА, и цифровые сигналы, накладывая сигнал (в виде сигнала переменного тока) на аналоговый сигнал 4-20 мА, используя стандарт FSK Bell 202.

Процедура FSK (частотная манипуляция) включает в себя наложение синусоидальных волн двух частот, обычно 1200 Гц и 2200 Гц, которые представляют биты (1 и 0 соответственно) передаваемых данных. Использование FSK гарантирует, что среднее значение двух частот всегда равно нулю, гарантируя, что цифровой сигнал не влияет на аналоговый сигнал.

Для удовлетворения потребностей различных приложений устройства по протоколу HART можно настроить для работы в двух основных режимах: режим «точка-точка» и режим Multi-Drop.

В режиме «точка-точка» цифровые сигналы накладываются на ток петли 4–20 мА таким образом, что как ток 4–20 мА, так и цифровой сигнал могут использоваться при передаче сообщений между ведущим и ведомым устройствами. Это представляет собой типичное применение протокола со вторичными переменными и данными, которые могут использоваться для целей мониторинга, обслуживания и диагностики, и обмениваются цифровыми сигналами, в то время как сигналы управления передаются по аналоговой половине протокола. Иллюстрация конфигурации двухточечной сети приведена на следующем рисунке.

Режим сетевой конфигурации Multi-Drop позволяет нескольким устройствам подключаться к одной паре проводов способом, аналогичным протоколам на основе адресов, таким как i2c. Связь в многоточечном режиме полностью цифровая, так как связь через аналоговый токовый контур отключена, поскольку ток через каждое из устройств фиксируется на минимальном значении, достаточном только для работы устройства (как правило, 4 мА). Многоточечные сети обычно используются в приложениях диспетчерского управления, которые широко расположены, как на нефтебазах и трубопроводах. Конфигурация сети Multi-Drop показана на следующем рисунке.

В режиме связи запрос-ответ подчиненные устройства передают информацию только тогда, когда запрос выдается ведущим устройством. Несмотря на то, что этот режим имеет свои недостатки, особенно снижение скорости передачи данных (2-3 обновления данных в секунду), он помогает сделать протокол простым, эффективным и легким в реализации.

Чтобы освободить место для изменения требований приложения, в протоколе предусмотрен другой режим связи, называемый режимом пакетной передачи. В этом режиме подчиненные устройства могут отправлять один фрагмент информации непрерывно, без необходимости повторных запросов от ведущего. Этот режим обеспечивает более высокую скорость связи до 3-4 обновлений в секунду и обычно используется в сценариях, где требуется более одного устройства HART для прослушивания связи из цикла HART.

Для обеспечения внешнего мониторинга, необходимого для большинства промышленных приложений, оба режима связи поддерживают до двух мастеров, определенных как основной и дополнительный. Основной ведущий, как показано на рисунке выше, обычно является основной системой управления / мониторинга, в то время как вторичный ведущий обычно является устройством, подобным портативным терминалам типа HART-коммуникатор, который подключается к контуру HART только в течение короткого периода времени.

WirelessHART

Протокол HART развивался на протяжении многих лет с развитием технологий и повышением сложности вариантов использования. Одним из последних продуктов его эволюции является новая технология WirelessHART, которая предлагает совершенно новые возможности с беспроводной передачей информации по принципу HART.

Это первый стандартизированный (МЭК 62591) протокол беспроводной связи в области автоматизации процессов. В отличие от обычного протокола HART, на данном этапе он поддерживает связь только по цифровому сигналу, поскольку аналоговая связь не обеспечивается, так как не используется соединительный кабель.

В настоящее время существует два различных решения WirelessHART, в том числе: адаптер WirelessHART для улучшения существующих устройств HART и приемопередатчик WirelessHART с автономным питанием.

WirelessHART может использоваться в рамках существующих проводных приборов для сбора огромного количества информации, а также обеспечивает экономичный, простой и надежный способ развертывания новых точек измерения и контроля без затрат на проводку.

Источник

Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?

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.

Рис. 1. Модуляция со сдвигом частоты (FSK)

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.

Рис. 2. Ток 4…20 мА и информация HART

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:

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».

Источник

HART-протокол

Содержание

Общие сведения

Преимущества

Недостатки

Описание протокола

Физический уровень

Wired HART

HART протокол использует метод частотного сдвига для наложения цифровой связи на токовый сигнал 4—20 мА, идущий по цепи, соединяющей центральную систему с первичными датчиками. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты (1200 Гц и 2200 Гц соответственно).

WirelessHART

Расширение стандарта, основанное на стандарте передачи данных по беспроводным сетям IEEE 802.15.4-2006 и использующее мультиплексирование с разделением по времени.

HART over IP

TCP/IP транспорт расширяет число применимых физических уровней до тех, которые поддерживают TCP/IP коммуникацию. Возможные реализации: Ethernet (802.3), Wi-Fi (802.11b/g) или RS-232 используя PPP.

Формат фрейма

Команды

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «HART-протокол» в других словарях:

PPP (сетевой протокол) — У этого термина существуют и другие значения, см. PPP. PPP (англ. Point to Point Protocol) двухточечный протокол канального уровня (Data Link) сетевой модели OSI. Обычно используется для установления прямой связи между двумя узлами сети,… … Википедия

Infrared Data Association — Внешний USB модуль инфракрасного порта … Википедия

SLIP — (Serial Line Internet Protocol) устаревший сетевой протокол канального уровня эталонной сетевой модели OSI для доступа к сетям стека TCP/IP через низкоскоростные линии связи путём простой инкапсуляции IP пакетов. Используются коммутируемые… … Википедия

Modbus — Modbus открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре «клиент сервер». Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные … Википедия

LIN — (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

DMX-512 — 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 — 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

PROFIBUS FMS — 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 — Ихэтуаньское восстание … Википедия

Договор об охране художественных и научных учреждений и исторических памятников — 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

Источник

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.

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

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[51]:

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.

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.

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).

Главным преимуществом протокола HART является возможность передачи информации по выделенной арендованной телефонной линии Bell 3002 (американский стандарт). В этом случае полевому оборудованию необходим только локальный источник питания, а главное устройство может находиться на расстоянии многих километров. Особенностью телефонных линий является то, что не требуется дополнительных промежуточных усилителей. Все эти заботы о качестве сигнала берет на себя телефонная компания. Кроме того, компания в случае необходимости предоставляет устройство связи сигнала телефонной линии с токовой петлей HART. Подобный сервис возможен только в том случае, если передача ЧМ сигнала по телефонным линиям разрешена национальным стандартом. Национальные стандарты многих стран не допускают передачу сигналов Bell 202 по телефонным линиям.

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.

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.

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 бит контроля чётности/нечётности;

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.

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

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.

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

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[52]

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.

Источник