Hart протокол физическая организация связи. Описание протокола HART. Кодировка символов и скорость передачи
Уровня 4-20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.По этим же проводам может передаваться сигнал 4-20 мА.
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод . Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4-20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4-20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий - Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом
. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
В многоточечном режиме
- датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount . В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет - их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций . На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.
Общие сведения
Преимущества
- высокая помехозащищённость
- простота и низкая стоимость монтажа
- дешевизна
- широкая распространённость в мире и России
Недостатки
- малые скорости.
- нестабильное подлкючения.
Описание протокола
Физический уровень
Wired HART
HART over IP
Формат фрейма
Команды
Примечания
Ссылки
- (англ.) Фонд HART-коммуникаций
- - временные диаграммы, структура сообщений и т. д.
- Образовательный сайт об АСУ ТП. Спецификация HART на английском
| UART | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические уровни |
|
||||||
| Протоколы |
|
||||||
| Сферы использования | Последовательный порт IrDA | ||||||
| Реализации | 8250 UART 16550 UART | ||||||
Wikimedia Foundation . 2010 .
Википедия
- (англ. Local Interconnect Network локальная сеть) стандарт промышленной сети, разработанный консорциумом европейских автопроизводителей и других известных компаний, включая Audi AG, BMW AG, Daimler Chrysler AG, Motorola Inc.,… … Википедия
DMX512 (англ. Digital Multiplex) стандарт, описывающий метод цифровой передачи данных между контроллерами и световым, а также дополнительным оборудованием. Он описывает электрические характеристики, формат данных, протокол обмена… … Википедия
P NET это промышленная сеть, которая была создана для объединения отдельных компонент вычислительного процесса, а именно: компьютера, датчиков, исполнительных устройств, устройств ввода/вывода, центрального и периферийного контроллеров… … Википедия
Протокол предназначен в основном для связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Он используется в тех областях, где высокая степень функциональности более важна нежели чем быстрое время реакции системы. При связи… … Википедия
Ихэтуаньское восстание … Википедия
Н. К. Рерих «Мадонна Орифламма» Пакт Рериха (англ. The Roerich Pact), так же известный как Договор об охране художественных и научных учреждений и исторических памятников (англ. Treaty on the Protection of Artistic and Scientific Institutions and … Википедия
Протокол HART был разработан фирмой Rosemount в 1986 году для интеллектуальных приёмопередатчиков. По мере продолжения работ и расширения номенклатуры поддерживаемых устройств этот протокол в конце 1989 был сделан открытым, а немного позже была создана организация HART Users Group. Количество участников HART Users Group выросло от 18 компаний в 1990 до 79 в 1993. В 1993 была создана организация HART Communication Foundation (HCF) и компания Fisher Rosemount передала права владения протоколом этой организации.
HART Communication Foundation является официальным источником информации о HART технологии в промышленности и для своих членов по всему миру. Эта организация является некоммерческой корпорацией, специально организованной для координирования и поддержки применения HART технологии по всему миру. Основной задачей этой организации является демонстрация преимуществ и ценности этой важной технологии. Членство в организации открыто для всех поставщиков, конечных пользователей и других лиц, заинтересованных в использовании HART протокола. Организация поддерживает форум на CompuServe посвященный HART протоколу (GO HARTCF) и сервер World Wide Web, имеющий адрес http://www.ccsi.com/hart/.
В течение многих лет стандарт передачи данных предусматривал на полевом уровне оборудования для автоматизации процесса аналоговый токовый сигнал. Величина токового сигнал изменялась в пределах 4-20 mA пропорционально измеряемой переменной процесса. В обычном случае сигнал 4 mA соответствовал нижнему пределу измерений (0%) калибровочного диапазона, а сигнал 20 mA соответствовал верхнему пределу (100%) калибровочного диапазона. Если система калибровалась в диапазоне 0-100%, то средний аналоговый токовый сигнал 12 mA, соответствовал 50% диапазона. Практически все системы использовали этот международный стандарт для передачи значений переменных процесса в системах автоматизации.
По аналоговому каналу можно передавать ограниченное количество информации.
Интеллектуальные полевые устройства используя HART (Highway Addressable Remote Transducer) протокол, значительно улучшают эту ситуацию, поскольку цифровые данные при передаче накладываются на сигнал 4-20 mA, не взаимодействуя с этим сигналом.
Такое использование сигналов даёт два важных преимущества:
– существующая кабельная проводка и стратегии управления остаются неизменными;
– появляется возможность передачи больших объёмов дополнительных данных (обычно это номера тэгов (позиций), измеряемых параметров, данные о диапазоне измерений, информация о самом приборе и диагностика). Возможность передачи этих данных используется при монтаже, калибровке, техническом обслуживании и эксплуатации АСУТП. При этом достигается значительное снижение стоимости, улучшение координации и использования сети интеллектуальных устройств.
Протокол HART позволяет осуществлять двунаправленную передачу информации, таким образом, параметры приборов могут опрашиваться и регулироваться из любой точки на кабеле.
Протокол HART предусматривает и полностью цифровой режим, что позволяет многим приборам присоединяться параллельно на одну магистраль, что значительно сокращает материальные затраты на монтаж и наладку каналов связи.
Поскольку протокол HART поддерживается основными изготовителями средств автоматизации и практически гарантируется совместимость АСУ ТП различного назначения и интеграция с компьютерами и оборудованием верхних уровней.
Сегодня HART протокол даёт преимущества, которые связаны не только с совместимостью с существующими системами с токовым сигналом 4-20 mA, но и внедрением полностью цифровой технологии FIELDBUS.
Преимущества и принцип работы
Протокол HART использует стандарт "Частотной Манипуляции Bell 202", накладывая цифровой сигнал малой амплитуды (±0.5 mA) на аналоговый сигнал 4-20 mA, что показано на рис. 4.1.
В соответствии со стандартом Bell 202, цифровой сигнал преобразуется в две частоты - 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно представляющие биты 1 и 0 (рис. 4.1).
Поскольку такой ЧМ сигнал имеет нулевое среднее значение и фаза сигнала непрерывна, то ЧМ сигнал на аналоговый сигнал 4-20 mA не оказывается никакого влияния.
Протокол HART, согласно стандарту Bell 202, обеспечивает передачу данных со скоростью 1200 бит/сек без прерывания сигнала 4-20 mA, что позволяет главному передатчику (мастеру) обновлять информацию о полевом устройстве более двух раз в секунду. На одну токовую петлю HART может подсоединяться два главных устройств. Основное устройство обычно является системой управления или ЭВМ, в то время как другое главное устройство может быть переносным коммуникатором или портативным компьютером.
Стандартный переносной терминал, называемый «HART Коммуникатор», способен единообразно осуществлять операции с полевыми устройствами. Другие сетевые функции можно осуществлять при помощи шлюзов.
Преимущества Hart protocol, состоят в том, что:
– по одной линии передается одновременно аналоговая и цифровая информация или, например, питание и цифровая информация;
– по цифровому каналу осуществляется двунаправленная передача;
– осуществляется взаимодействие одних полевых устройств с другими полевыми устройствами;
– возможно несколько ведущих устройств, среди которых могут быть либо Control system (управляющая система), либо Hendheld communicator (ручной коммуникатор);
– всегда выполняется параллельное объединение устройств в сети (multidropping или network);
– осуществляется передача информации с помощью модемов по телефонному или радиоканалу;
– могут быть использованы мультиплексные и селекторные режимы работы;
– выполняются унификация и совместимость со всеми Hart-устройствами;
– используется гибкий формат сообщений, позволяющий адаптировать сеть к включению устройств другого типа;
– в одном сообщении может передаваться до четырех значений переменных, а в целом поддерживается до 256 переменных, описывающих устройство.
– в том случае, если по линии передается питание, то число полевых устройств может быть не более пятнадцати.
Рис. 4.2. Стандарт передачи информации по модему Bell 202
|
Два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу:
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом представлен на рис. 4.3. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Теперь оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а так же мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
Обычно в аналоговой АСУТП присутствует множество интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме 4-20мА + HART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или HART-модема требует последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4-20 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор. При таком подходе приборы продолжают передавать измерительную информацию в систему по токовому выходу 4-20 мА, а их конфигурация может быть изменена с одного цифрового выхода управляющей системы. Связь мультиплексора с системой управления осуществляется по интерфейсу RS485 или RS232. При этом можно объединить в сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров соединенных по RS485, 16 каналов каждый). Структурная схема работы мультиплексора в аналоговой системе представлена на рисунке 4 (линии 2,3,..n).
Существует возможность построения с помощью мультиплексора цифровой системы сбора и визуализации информации. В этом случае каждый канал мультиплексора может опрашивать до 15 датчиков, подключенных к одной токовой петле. При таком подключении затраты на кабельную продукцию существенно снижаются (рисунок 4.5, линия 1).
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
На арендованной линии может "висеть" неограниченное число полевых устройств, поскольку все они запитываются от индивидуальных источников независимо от передачи сигнала. В случае наличия только одного источника питания для всех полевых устройств, их количество ограничивается и не должно превышать 15 штук.
Режим BURST
Существует «монопольный» режим передачи сообщений, когда одно подчиненное устройство в течение продолжительного интервала времени выдаёт стандартное ответное сообщение HART в широковещательном режиме. В этом режиме возможен более высокий темп обновления информации и обычно он используется в топологии точка-точка, которая часто используется на практике.
Структура протокола HART
Протокол HART соответствует сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection), разработанной организацией ISO (International Organization for Standartization). Сетевая модель OSI определяет структуру и элементы систем передачи данных. Протокол HART использует сокращенную сетевую модель OSI, реализующую только уровни 1, 2 и 7 (см. рисунок 4.6)
Уровень 1 называется "Физическим Уровнем", и канал связи работает по принципу частотной манипуляции, основанном на стандарте передачи Bell 202:
– скорость передачи данных – 1200 бит/сек;
– частота, соответствующая логическому "0" – 2200 Гц;
– частота, соответствующая логической "1" – 1200 Гц.
Большинство существующих каналов связи подходит для этого вида цифровой передачи данных. Для коротких расстояний вполне подходит неэкранированная пара проводов сечением 0,2 мм 2 . Для больших расстояний (до 1500 м) используется экранированный жгут витых пар сечением 0,2 мм 2 . Дистанции до 3000м требуют применения экранированной витой пары сечением 0,5 мм 2 .
Уровень 2 , Уровень Соединений, устанавливает формат HART сообщений. HART протокол является протоколом вида главный/подчиненный, а это означает, что полевое (подчиненное) устройство передает информацию только по запросу главного устройства. Главное устройство передает конкретному полевому устройству (подчинённому) команду и возвращает ответ.
Структура этих сообщений представлена на рисунке 4.7. В многоточечном режиме в сообщении содержится вся информация о том, кто его передает и кто получает.
Операнд определенного размера требуется, чтобы полевое устройство выполнило инструкцию HART. Уровень 2 также повышает надежность передачи, использованием добавления байта контрольной суммы в конец сообщения. Это «продольная проверка» правильности передачи. Кроме этого, при передаче микросхема приемопередатчик НART добавляется по одному биту чётности/нечётности к каждому байту. Это «поперечная проверка» правильности передачи. Каждый отдельный символ передается в стандартном формате интерфейса RS-232:
– 1 стартовый бит;
– 8 бит данных;
– 1 бит контроля чётности/нечётности;
– 1 стоповый бит.
Уровень 7 , Уровень приложения, здесь интерпретируется набор команд. Главное устройство посылает сообщения с запросами определенных величин, реальных данных и любых других параметров имеющихся в устройстве. Полевое устройство интерпретирует эти команды в соответствии с HART протоколом. Ответное сообщение передаёт главному устройству информацию о статусе и значениях параметров полевого устройства.
Для максимально возможного повышения эффективности используются классы соответствия для главных устройств, и классы команд для подчиненных (полевых) устройств. Применяются шесть классов соответствия для главных устройств, как показано на рисунок 4.7. Для подчиненных устройств логическая, единообразная передача данных осуществляется при помощи следующих наборов команд:
Универсальные команды реализуют доступ к информации, которая необходима при нормальной работе устройства, такой как изготовитель прибора, модель, тэг, серийный номер, дескриптор, пределы измерений и переменные процесса. Универсальные команды реализованы во всех полевых устройствах.
Часто используемые команды обеспечивают доступ к функциям, которые могут выполняться несколькими полевыми устройствами. Набор этих команд образует библиотеку общих функций полевого устройства.
Специфические команды прибора обеспечивают доступ к функциям, уникальным для определенного устройства. Позволяет включить специальные возможности которые будут доступны всем пользователям.
Использование всех трёх типов команд предусматривается в любом полевом устройстве, включая все универсальные команды, некоторые часто используемые команды и некоторые специфические команды прибора.
Рис. 4.7. Структура сообщения HART
|
Структура сообщения HART обеспечивает высокую надежность информации.
Передача данных
Вид передачи данных:
Частотная манипуляция в соответствии со стандартом Bell 202. Стандарт регламентирует скорость передачи и частоты для битов информации "0" и "1".
Скорость передачи – 1200 бит/сек
Частота, соответствующая логическому "0" - 2200 Гц
Частота соответствующая логической "1" - 1200 Гц
Структура сигнала – 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля чётности/ нечётности, 1 стоповый бит
Темп передачи для простых переменных – приблизительно 2-3 раз/сек (опрос/ответ), приблизительно 3-4 раз/сек (режим burst, неосновной)
Максимальное количество устройств в режиме шины – с единственным источником питания 15 штук.
Спецификация на количество переменных – м аксимальное количество переменных на одно полевое устройство – 256, максимальное количество переменных в одном сообщении – 4.
Максимальное количество главных устройств – два.
Целостность информации. На физическом уровне вероятность сбоя бита 10 -5 , на уровне соединений выполняется распознавание всех групп до трех пораженных бит, с высокой степенью вероятности более длинные группы и множественные группы, на уровне приложения коммуникационный статус передается в ответном сообщении полевого устройства. Он состоит из двух байтов закодированных побитно. По первому байту выявляются ошибки при передаче, если таковые имеются. Второй байт статуса показывает рабочее состояние полевого устройства (т.е. изменения в конфигурации, фиксация выходного тока, насыщение аналогового выхода, неправильная работа устройства и т. д.).
Требования к аппаратному обеспечению. Тип соединения и ограничения по длине приведён на рисунке (странно, это ведь таблица) 4.8.
| Рис. 4.8. Аппаратные ограничения |
Максимально возможная длина линии связи для определенного приложения рассчитывается по следующей формуле:
,
где: L – длина в метрах; R – сопротивление в омах, нагрузка с включением внутреннего сопротивления барьера/ изолятора; C – погонная ёмкость линии в пФ/м; C f – максимальная внутренняя ёмкость для «Интеллектуальных полевых устройств» (в пФ).
Рассмотрим пример приемопередатчика датчика давления, системы управления с простой экранированной парой, имеющей параметры:
R = 250 Ом, С = 150 пФ/м, C f = 5000 пФ.
По этим данным 
Применение барьеров безопасности вносит дополнительное ограничение на максимальную длину линии. Для детального изучения пригодности соединения для передачи информации следует обращаться к нормативному документу по HART протоколу в части, содержащей описание физического уровня.
HART протокол является промежуточным звеном при переходе от аналоговых устройств 4-20 мA к полностью цифровой технологии FIELDBUS.
5. Протокол передачи данных PROFIBUS
В оборудовании, используемом в области автоматизации технологических процессов, таком как датчики, исполнительные механизмы, передаточные устройства, приводы и программируемые логические контроллеры, все большее применение находит цифровая микроэлектроника. Для связи этих цифровых устройств промышленного назначения с более высокоуровневыми компонентами автоматизации все чаще применяются бит-последовательные промышленные шины (bit serial Fieldbus). В настоящее время в области шин промышленного назначения (Fieldbus) используются разнообразные сети частного применения. Зачастую это приводит к изолированным несовместимым решениям
Необходимость в открытой, независимой от поставщика системе связи привела к разработке и стандартизации PROFIBUS.
Протокол связи HART - это протокол для адресуемых по шине полевых устройств (датчиков). Протокол HART, как таковой, не является полевой шиной - он является вариантом цифровой полевой связи, выполняющим многие функции полевых шин. При HART-связи полевые устройства традиционно подключаются через выходные токовые контуры 4-20 мА. накладывается на аналоговый сигнал с помощью метода частотной модуляции FSK (Frequency Shift Keying). Это позволяет передавать данные измерений, информацию о настройках и состоянии полевого устройства (датчика), не затрагивая аналоговый сигнал.
HART обеспечивает цифровую двунаправленную связь между датчиком и вторичным прибором или контроллером. Время отклика HART около 500 мс, скорость передачи равна 1200 бит/с. Протокол связи HART может применятся и во взрывоопасных зонах в том случае, если развязывающие устройства (барьеры взрывозащиты) поддерживают HART протокол.
Имеются два способа реализации HART связи с датчиками:
- Стандартное соединение равноправных узлов, когда на сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный сигнал. Это обеспечивает цифровое соединение максимум двух устройств HART Данный вид соединения обычно используется при настройке датчиков (полевых устройств). Выходной аналоговый сигнал 4-20 мА датчика при данном соединении изменяется в соответствии с величиной контролируемого параметра.
- Режим многоточечной связи с полевыми устройствами, при котором им присваиваются "сетевые" адреса шины. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Полевые устройства, которым присвоен адрес 0, отключены от шины и данные с них не могут быть считаны по HART. В режиме многоточечной связи обмен данными производится также по двухпроводной линии - но только с помощью частотно-модулированного сигнала - выходной сигнал датчика зафиксирован на определенной величине и не изменяется.
Частотно-модулированный сигнал - это переменный ток амплитудой +/-0.5 мА с частотой 1200 Гц для цифровой единицы и 2200 Гц для цифрового нуля. Среднее значение этого синусоидального сигнала равно нулю, так что он не оказывает влияния на сигнал 4-20 мА и не искажает показания датчика.
Токовый модулированный HART сигнал преобразуется в напряжение на внутреннем входном сопротивлении приемника. Чтобы обеспечить надежный прием сигнала, протокол HART определяет полную нагрузку токового контура, включая сопротивление кабеля, которая должна быть в пределах от 230 Ом до 1100 Ом. Обычно, однако, верхний предел определяется не этой спецификацией, а ограниченной нагрузочной способностью источника питания.
Управление доступом по протоколу HART.
Протокол HART функционирует согласно принципу ведущий-ведомый, и все операции связи инициируются ведущим устройством. Протокол HART поддерживает два ведущих устройства: первичный ведущий, обычно система управления, и вторичный ведущий - блок управления, который используется в полевых условиях (ноутбук с HART модемом или ручной управляющий модуль - HART коммуникатор). Распределение активности ведущих устройств при управлении ведомым, выполняется на временной основе. После каждой транзакции одно из двух ведущих устройств может принимать на себя связь внутри определенного временного окна.
Полевые устройства HART (датчики с поддержкой HART) являются ведомыми устройствами и всегда реагируют только на запрос ведущего устройства HART. При работе коммуникационные узлы можно добавлять или удалять, не прерывая процесса связи.
Для настройки датчиков с поддержкой HART используются либо ручные управляющие модули - коммуникаторы, либо связка ПК-HART модем-специальное программное обеспечение. Несмотря на то, что HART протокол является стандартизированным и открытым протоколом не все устройства могут быть сконфигурированы с помощью одного HART коммуникатора или модема со специализированным программным обеспечением (например, PACTware). Большинство производителей выпускает коммуникаторы и модемы предназначенные, в большинстве случаев, для работы только с выпускаемыми этим же производителем приборами. Некоторые модели коммуникаторов (правильнее их будет называть пультами настройки с поддержкой HART) и вовсе могут работать только с одним определенным типом датчиков, но при этом их стоимость на порядок меньше, чем стоимость универсальных коммуникаторов.
При подключении HART коммуникатора или модема к не поддерживаемому типу датчиков в лучшем случае удается посмотреть (иногда и изменить) диапазон измерения, единицы измерения, величину выходного сигнала, а также откалибровать точку нуля. Откалибровать чувствительность или зайти в меню расширенных настроек Advanced setup в большинстве случаев не удастся. Для того, чтобы получить возможность работы с данным типом датчиком нужно загрузить в коммуникатор (или программное обеспечение модема) файл-описание этого датчика, так называемый драйвер описания устройства (DD или DTM)
Скачать необходимые DD и DTM файлы для новых устройств с поддержкой HART или для тех устройств, которые отсутствуют в штатной библиотеке HART коммуникатора или программного обеспечения модема можно на официальном сайте ассоциации HART Communication Foundation или на сайте производителя применяемого оборудования КИП.
Выбор кабеля для HART связи.
Длина проводки в большинстве установок не превышает 3000 метров - это значение равно максимальной длине кабеля для HART. Однако максимальная длина кабеля может быть меньше в зависимости от электрических характеристик кабеля - особенно его емкости - и количества подключенных устройств (коммуникационных узлов). В таблице показано, какое ограничение емкость кабеля и количество подключенных устройств накладывают на максимальную длину кабеля для HART связи.
Указанные в таблице значения относятся к типичным устройствам HART в не искробезопасных или взрывозащищенных окружающих средах, то есть без влияния различных последовательных импедансов. Подробная информация о вычислении максимальной длины кабеля для всех контуров HART предоставлена в спецификации физического уровня HART.
| Количество устройств в сети | Длина кабеля при погонной емкости, м |
|||
| 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.
2.5. HART -протокол
Сеть на основе HART -протоколаОписанный выше обмен информацией между двумя устройствами (типа "точка-точка") является наиболее типичным применением HART -протокола. Однако HART -устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифровую часть HART -протокола, без аналоговой, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART -устройства параллельно. Максимальное количество устройств в сети может составлять 15, если не использовать HART -повторители (ретрансляторы, репитеры). HART -сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. Этим же объясняются крайне низкие требования к полосе пропускания кабеля (2,5 кГц по уровню - 3 дБ). Такой полосе соответствует постоянная времени линии передачи 65 мкс, т.е. при сопротивлении линии 250 Ом ее емкость может достигать 0,26 мкФ, что соответствует длине кабеля около 2...3 км (табл. 2.5).
| |||||||||||
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 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.