Hart протокол для чайников – что такое протокол HART и как он работает?

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:

• 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».

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

HART-протокол

HART-протокол (с английского Highway Addressable Remote Transducer — магистральный адресуемый удаленный преобразователь)  — это промышленный цифровой протокол передачи данных разработанный в 1980 году фирмой Rosemount Inc. Позже Rosemount Inc. сделали протокол открытым.

Как работает HART-протокол?

HART-протокол использует принцип частотной модуляции для осуществления обмена дынными на скорости 1200 Бод. Он позволяет передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал, используя при этом одну и ту же пару проводов. Мало того, к одной паре проводов может быть подключено несколько устройств. Модулированный сигнал накладывают на токовую несущую аналоговой токовой петли 4-20мА.  Если совсем просто, то для передачи данных аналоговый сигнал суммируется с цифровым, а полученная сумма передается с помощью источника тока 4…20 мА по линии связи. За счет того, что диапазоны частот аналогового (0…10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов разительно отличаются, нет никакой проблемы в разделении этих составляющих с помощью фильтров низких и высоких частот. На сегодняшний день это решение является практически стандартом для промышленных датчиков. Для передачи логической единицы используется один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического нуля — два неполных периода  частотой 2200 Гц. HART-протокол использует 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI.

Принцип модуляции сигнала.

Принцип работы HART-протокола на физическом уровне показан на схеме ниже. Передача данных осуществляется по принципу «ведущий-ведомый». Ведомое полевое устройство (датчик и т.п.) отвечает по запросу системы.

Физический уровень протокола.

Любое устройство поддерживающее HART-протокол содержит в себе микропроцессор  с UART и ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). UART преобразовывает цифровой сигнал в непрерывную последовательность из двоичных слов длиной 11 бит каждое.

Прохождения сигнала.

Каждое слово начинается со стартового бита (логический ноль), за которым следует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит.

Структура сообщения HART-протокола.

Все устройства поддерживающее HART-протокола имеют свой уникальный адрес в сети. Изначально предусмотрено два вида адресов: короткий адрес (длиной 4 бита) и длинный адрес (длиной 38 бит).

Команды HART-протокола бывают трех типов: универсальные, общепринятые и специфические. Универсальные и общепринятые выполняют функции чтения и записи серийного номера, тега, дескриптора, даты и т.п. Специфические команды создаются изготовителем конкретного устройства.

Помимо прочего есть возможность использовать как среду передачи оптоволокно (Fiber Optic HART) и радиоканал (Wireless HART).

Несмотря на низкую скорость и существование более совершенных сетевых решений, HART-протокол завоевал большую популярность за счет высокой помехозащищённости, простоты и низкой стоимость монтажа, дешевизна оборудования.

Tags HART-протокол общие сведения

 

autoworks.com.ua

HART протокол

HART протокол

Программа КИП и А

Александр Брацюк, Киев.

Введение

HART протокол является одним из коммуникационных протоколов, широко применяемых в промышленной автоматике. Каждый протокол заточен под свои задачи, так и HART — лучшее решение как для получения информации о измеренных величинах устройств КИП и А, диагностирования и настройки этих устройств по стандартной токовой петле 4-20 мА (современный стандартный аналоговый сигнал токовой петли). Наиболее часто HART интерфейсом оснащаются датчики, но также его могут иметь и исполнительные устройства, клапаны, заслонки с управляющим токовым сигналом и др.

HART («Highway Addressable Remote Transducer») специально разработан для промышленной автоматики и измерительной техники. Его еще называют гибридным потому что он совмещает как аналоговый так и цифровой сигнал. Другими словами, цифровой сигнал передается по аналоговому выходу датчика. Цифровая составляющая сигнала никак не влияет на аналоговый выход датчика,- она просто отфильтровывается.

Аналоговая составляющая сигнала передается как правило в одном направлении, например от выхода датчика ко входу вторичного прибора, в то время как цифровой сигнал может передаваться по линии в двух направлениях,- от HART устройства к датчику, запрашивая его состояние и от датчика к HART коммуникатору сообщая измеренную величину.

Физический уровень

Для передачи/приема информации на физическом уровне, HART протокол использует довольно низкоскоростной метод частотной манипуляции, где для кодирования двоичных данных:

• Логическая «1» представлена частотой 1200 Гц
• Логическая «0» представлен частотой 2200 Гц

HART коммуникаторы

HART коммуникатор — это микропроцессорный прибор, подключаемый в токовую петлю, часто с трансформаторным входом, для приема, обработки и передачи цифровой информации в этой схеме. Также существуют и HART модемы — устройства, подключаемые к компьютеру в USB или RS232 порт.

На рисунке слева показана типичная схема включения HART коммуникатора в токовую петлю между датчиком и вторичным прибором. На резисторе R, обычно 250 Ом, при прохождении по нему тока, по закону Ома происходит формирование напряжения, которое подается на вход HART коммуникатора.

HART коммуникатор может считывать, измеренную датчиком физическую величину, а может использоваться для диагностики и настройки датчика. Обычно HART коммуникатор это переносное устройство для калибровки датчиков и подобных устройств, и нет необходимости использовать его постоянно по приведенной схеме. Чаще он подсоединяется в цепь аналогового сигнала временно.

Было бы очень неудобно, если бы приходилось каждый раз разрывать токовую петлю для подсоединения HART коммуникатора, особенно в системах регулирования. Поэтому большинство HART совместимых датчиков и устройств имеют клеммы для его подключения, не обрывая выходного аналогового сигнала.

Обычно аналоговые или цифровые вторичные приборы могут только измерять/отображать входной сигнал от датчика и мало что могут рассказать о его состоянии. HART коммуникатор может не только показывать измеряемый параметр, но и

• Показывать статус устройства и диагностические предупреждения
• Измеряемые величины и единицы измерения
• Ток на выходе датчика, как в миллиамперах, так и в процентах
• Отображать/изменять основные параметры конфигурирования
• Сведения о производителе

Как HART коммуникатор узнает с каким типом датчика он работает и как этот датчик настраивать? Для этого в коммуникаторе существует база драйверов совместимых устройств. При подключении к устройству HART коммуникатор опознает и загружает из своей базы необходимый драйвер устройства.

А что, если устройство новее самого коммуникатора, выпущено недавно, и нужного драйвера устройства в базе точно нет? Для этого нужно поискать драйвер описания устройства на сайте производителя устройства или на сайте ассоциации HART Communication Foundation, с которой обычно взаимодействуют известные производители устройств для КИП и Автоматики. Все это касается универсальных HART коммуникаторов.

Хотя HART протокол является открытым и стандартным, иногда производители оборудования исходя или из коммерческих целей, для увеличения числа продаж, или из целей упрощения устройств в ущерб их универсальности, предпочитают выпускать собственные HART устройства для настройки своего оборудования. В этом случае ничего другого не остается, кроме как приобрести соответствующий прибор у производителя.

 

www.axwap.com

HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА

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

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

Имеются два способа реализации HART связи с датчиками: 

1. Стандартное соединение равноправных узлов, когда на сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный сигнал. Это обеспечивает цифровое соединение максимум двух устройств HART Данный вид соединения обычно используется при настройке датчиков (полевых устройств). Выходной аналоговый сигнал 4-20 мА датчика при данном соединении изменяется в соответствии с величиной контролируемого параметра.
2. Режим многоточечной связи с полевыми устройствами, при котором им присваиваются «сетевые» адреса шины. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Полевые устройства, которым присвоен адрес 0, отключены от шины и данные с них не могут быть считаны по HART. В режиме многоточечной связи обмен данными производится также по двухпроводной линии — но только с помощью частотно-модулированного сигнала — выходной сигнал датчика зафиксирован на определенной величине и не изменяется.

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

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

Управление доступом по протоколу HART.

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

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

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

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

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

Выбор кабеля для HART связи.

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

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

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

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки протокола HART.

Протокол связи HART имеет следующие достоинства:

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

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

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

Дополнительные сведения о HART протоколе можно найти в энциклопедии АСУТП.

knowkip.ucoz.ru

протокол — это… Что такое HART-протокол?

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА.
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4—20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
В многоточечном режиме — датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет — их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций^[1]. На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.

Общие сведения

Преимущества

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

Недостатки

• малые скорости.
• нестабильное подлкючения.

Описание протокола

Физический уровень

Wired HART

HART 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

Название поля	Длина (байт)	Назначение
Delimiter	1	Битовое поле. Используется для определения типа фрейма
Address	1—5	Определяет адрес master, slave и индикатор Burst Mode
[Expansion bytes]	0—3
Command	1	Цифровое значение команды для исполнения
Byte Count	1	Указывает размер поля Data
[Data]	0—255	Данные ассоциированные с командой
Check Byte	1	XOR для всех байт сообщения начиная с Delimiter по последний байт Data

Команды

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

3.5.2.Hart-протокол

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

Скорость передачи данных по стандартуHART-протокола до 1200 бит/с. Обмен реализуется по принципуMaster/Slave. В сети может присутствовать до 2Master-узлов, при этом второйMaster, как правило, предназначен для связи с какой-либо системой контроля или отображения данных.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

HARTпротокол использует стандартBELL202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK), используемого для посылки цифровой информации по телефонным сетям, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4÷20 мА. Для представления двоичных «1» и «0» используются две разные частоты, 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Форма сигнала передачи

Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HARTпротокола соответствует физическому уровнюOSIмодели протоколов.

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

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

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

Уровни коммуникационного сигнала HARTпротокола приведены в табл. 3.20. Все значения даны между пиками сигнала (двойная амплитуда).

Таблица 3.20. Уровни коммуникационного сигнала

Сигнал, переданный главным устройством	min400 мВ;max600 мВ
Сигнал, переданный подчиненным устройством	min0,8 мА;max1,2 мА
Чувствительность приемника (должен правильно принимать)	от 120 мВ до 2,0 В
Порог приемника (должен игнорировать)	от 0 мВ до 80 мВ

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

Стандартная схема соединения двухпроводного передатчика показана на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Схема соединения двухпроводного передатчика

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

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

HARTпротокол содержит в каждом сообщении адрес назначения. Установив для каждого подчиненного устройства уникальный адрес, можно несколько таких устройств подсоединить параллельно с помощью одной пары проводов. Каждое устройство отвечает только на посланные в его адрес сообщения. Поскольку весь диапазон сигнала 4÷20 мА в данном случае не имеет смысла, присвоение ненулевого адреса устанавливает аналоговый сигнал на уровень 4 мА, что достаточно для питания устройства, такое решение уменьшает общее потребление питания. Пример реализации режима моноканала приведен на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Метран-280 в многоточечном режиме

На рисунке 3.36 обозначено: БП – блок питания; PV1 –HART-модем;PV2 – компьютер.

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

Для связи с HART-устройствами служат следующие изделия:

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

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

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

3.5.3.AS– интерфейс

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

Топологией ASI-сети может быть шина, кольцо, дерево или звезда. В качестве среды передачи данных используется специальный двухжильный кабель, по которому как передаются данные, так и подается питание на устройства. Характеристики сетиASIприведены в табл. 3.21.

Таблица 3.21. Характеристики AS-интерфейса

Характеристика	Значение
Общая длина сегмента
без использования повторителей, м	100
с использованием повторителей, м	300
Максимальное время цикла, мс	5÷10
Скорость передачи, Кбод	до 167
Максимальное число Slave-устройств, подключаемыхMaster-узлу	62

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

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

Каждый узел ASI-сети имеет специальную интерфейсную микросхему с поддержкойASI-протокола. По одной паре проводов интерфейсASIпозволяет передавать как данные, так и питание к узлам сети. Упрощенная схемаASI-сети представлена на рис. 5.27.

Рис. 5.27. Пример структуры ASI-сети

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

studfiles.net

Описание протокола HART

Сайт потихоньку переезжает на http://casey.at.ua. Новые версии ПО будут выкладываться там. Описание протокола HART 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: Message type Short frame Long frame Master to slave 02 82 Slave to master 06 86 Burst message from slave 01 81 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 Бит #7 Неисправность Полевого Устройства Устройство обнаружило аппаратную ошибку или сбой. Дополнительная информация может быть доступна через команду Чтение Дополнительного Статуса Датчика, #48. Бит #6 Конфигурация Изменена Сигнализирует, что с датчиком были произведены команды записи или изменения параметров. Бит #5 Холодный Старт С прибора было снято питание, которое затем было восстановлено, что привело к сбросу параметров настройки. Первая команда системы при обнаружении этой ситуации – сбросить этот флаг. Этот флаг может быть также взведен после Основного Сброса или Самотестировании. Бит #4 Больше Статусов Доступно Больше информации статуса доступно, чем может быть возвращено в Статусе Полевого Устройства. Команда #48, Чтение Информации Дополнительного Статуса, может обеспечить эту дополнительную информацию. Бит #3 Аналоговый Выход по Первичной Переменной Зафиксирован Выходной сигнал по Первичной Переменной зафиксирован на требуемом значении и не отражает измеренное прибором значение. Бит #2 Аналоговый Выход по Первичной Переменной Превышен Выходной сигнал по Первичной Переменной достиг насыщения, то есть пределов шкалы, и больше и не отражает измеренное прибором значение. Бит #1 Вторичная Переменная вышла за пределы. Вторичный параметр процесса, измеряемый датчиком, вышел за пределы, допустимые для датчика. Может потребоваться Команда #48, чтение Дополнительного Статуса Датчика, для идентификации переменной. Бит #0 Первичная переменная вышла за пределы Основной параметр процесса, измеряемый датчиком, вышел за пределы, допустимые для датчика.. Байт 2 — ошибки соединения Бит #7 = 1 Этот байт содержит информацию, связанную с приемом сообщения устройством. Эти флаги показывают, что во время передачи возникли ошибки и сообщения не были приняты. Прибор не возвращает данные в ответе, когда обнаруживает ошибки коммуникации. Бит #6 Ошибка вертикальной четности Четность одного или более байтов полученных устройством была неправильна. Бит #5 Перезапись данных Ошибка — по меньшей мере один байт данных в приемном буфере микросхемы UART был перезаписан до того как он был прочтен. Бит #4 Ошибка Кадра Стоповый бит одного или более байтов полученных устройством не были обнаружены UART. Бит #3 Ошибка Четности по длине Четность по длине, вычисленная устройством, не такая как Байт Четности по длине в конце сообщения. Бит #2 Зарезервировано, всегда равен нулю. Бит #1 Переполнение Буфера Сообщение было слишком длинным для буфера принимающего устройства. Бит #0 Не определен — Нет определения этого бита на сегодня. 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. Описание других часто используемых команд HART 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). Command number and function Data in command (type) Data in reply (type) 0 Read unique identifier none Byte 0 «254» (expansion) Byte 1 manufacturer identification code Byte 2 manufacturer’s device type code Byte 3 number of preambles required Byte 4 universal command revision Byte 5 device-specific command revision Byte 6 software revision Byte 7 hardware revision (H) Byte 8 device function flags(B)* Byte 9-11 device ID number Byte 12 ** common-practice command revision Byte 13 ** common tables revision Byte 14 ** data link revision Byte 15 ** device family code * Bit 0 = multisensor device; bit 1 = EEPROM control required; bit 2 = protocol bridge device. ** Proposed for a future HART revision S not in 5.3. 1 Read primary variable none Byte 0 PV units code Byte 1-4 primary variable(F) 2 Read current and percent of range none Byte 0-3 current (mA) (F) Byte 4-7 percent of range(F) 3 Read current and four (predefined) dynamic variables none Byte 0-3 current (mA) (F) Byte 4 PV units code Byte 5-8 primary variable(F) Byte 9 SV units code Byte 10-13 secondary variable(F) Byte 14 TV units code Byte 15-18 third variable(F) Byte 19 FV units code Byte 20-23 fourth variable(F) (truncated after last supported variable) 6 Write polling address Byte 0 polling address as in command 11 Read unique identifier associated with tag Byte 0-5 tag Byte 0-11 as Command #0 12 Read message none Byte 0-23 message (32 characters) (A) 13 Read tag, descriptor, date none Byte 0-5 tag (8 characters) (A) Byte 6-17 descriptor (16 characters) (A) Byte 18-20 date(D) 14 Read PV sensor information none Byte 0-2 sensor serial number Byte 3 units code for sensor limits & min. span Byte 4-7 upper sensor limit(F) Byte 8-11 lower sensor limit(F) Byte 12-15 minimum span(F) 15 Read output information none Byte 0 alarm select code Byte 1 transfer function code Byte 2 PV/range units code Byte 3-6 upper range value(F) Byte 7-10 lower range value(F) Byte 11-14 damping value(seconds(F)) Byte 15 write-protect code Byte 16 private-label distributor code 16 Read final assembly number none Byte 0-2 final assembly number 17 Write message Byte 0-23 message (32 chars) (A) as in command 18 Write tag, descriptor, date Byte 0-5 tag (8 characters) (A) Byte 6-17 descriptor (16 chars) (A) Byte 18-20 date(D) as in command 19 Write final assembly number Byte 0-2 final assembly number as in command Скачать формат других команд HART (Universal commands HART Revisions 2,3,4,5 ; Common-practice commands)

hart2dde.narod.ru