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.
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).
| |||||||||||
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 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.
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.
Описание протокола
Физический уровень
Wired HART
HART over IP
Формат фрейма
Напишите отзыв о статье "HART-протокол"
Примечания
Ссылки
- - временные диаграммы, структура сообщений и т. д.
|
||||||||||||||||||||||||
Отрывок, характеризующий HART-протокол
Николай обещал и опять покраснел, когда откланивался Мальвинцевой. При упоминании о княжне Марье Ростов испытывал непонятное для него самого чувство застенчивости, даже страха.Отходя от Мальвинцевой, Ростов хотел вернуться к танцам, но маленькая губернаторша положила свою пухленькую ручку на рукав Николая и, сказав, что ей нужно поговорить с ним, повела его в диванную, из которой бывшие в ней вышли тотчас же, чтобы не мешать губернаторше.
– Знаешь, mon cher, – сказала губернаторша с серьезным выражением маленького доброго лица, – вот это тебе точно партия; хочешь, я тебя сосватаю?
– Кого, ma tante? – спросил Николай.
– Княжну сосватаю. Катерина Петровна говорит, что Лили, а по моему, нет, – княжна. Хочешь? Я уверена, твоя maman благодарить будет. Право, какая девушка, прелесть! И она совсем не так дурна.
– Совсем нет, – как бы обидевшись, сказал Николай. – Я, ma tante, как следует солдату, никуда не напрашиваюсь и ни от чего не отказываюсь, – сказал Ростов прежде, чем он успел подумать о том, что он говорит.
– Так помни же: это не шутка.
– Какая шутка!
– Да, да, – как бы сама с собою говоря, сказала губернаторша. – А вот что еще, mon cher, entre autres. Vous etes trop assidu aupres de l"autre, la blonde. [мой друг. Ты слишком ухаживаешь за той, за белокурой.] Муж уж жалок, право…
– Ах нет, мы с ним друзья, – в простоте душевной сказал Николай: ему и в голову не приходило, чтобы такое веселое для него препровождение времени могло бы быть для кого нибудь не весело.
«Что я за глупость сказал, однако, губернаторше! – вдруг за ужином вспомнилось Николаю. – Она точно сватать начнет, а Соня?..» И, прощаясь с губернаторшей, когда она, улыбаясь, еще раз сказала ему: «Ну, так помни же», – он отвел ее в сторону:
– Но вот что, по правде вам сказать, ma tante…
– Что, что, мой друг; пойдем вот тут сядем.
Николай вдруг почувствовал желание и необходимость рассказать все свои задушевные мысли (такие, которые и не рассказал бы матери, сестре, другу) этой почти чужой женщине. Николаю потом, когда он вспоминал об этом порыве ничем не вызванной, необъяснимой откровенности, которая имела, однако, для него очень важные последствия, казалось (как это и кажется всегда людям), что так, глупый стих нашел; а между тем этот порыв откровенности, вместе с другими мелкими событиями, имел для него и для всей семьи огромные последствия.
– Вот что, ma tante. Maman меня давно женить хочет на богатой, но мне мысль одна эта противна, жениться из за денег.
– О да, понимаю, – сказала губернаторша.
– Но княжна Болконская, это другое дело; во первых, я вам правду скажу, она мне очень нравится, она по сердцу мне, и потом, после того как я ее встретил в таком положении, так странно, мне часто в голову приходило что это судьба. Особенно подумайте: maman давно об этом думала, но прежде мне ее не случалось встречать, как то все так случалось: не встречались. И во время, когда Наташа была невестой ее брата, ведь тогда мне бы нельзя было думать жениться на ней. Надо же, чтобы я ее встретил именно тогда, когда Наташина свадьба расстроилась, ну и потом всё… Да, вот что. Я никому не говорил этого и не скажу. А вам только.
Губернаторша пожала его благодарно за локоть.
– Вы знаете Софи, кузину? Я люблю ее, я обещал жениться и женюсь на ней… Поэтому вы видите, что про это не может быть и речи, – нескладно и краснея говорил Николай.
– Mon cher, mon cher, как же ты судишь? Да ведь у Софи ничего нет, а ты сам говорил, что дела твоего папа очень плохи. А твоя maman? Это убьет ее, раз. Потом Софи, ежели она девушка с сердцем, какая жизнь для нее будет? Мать в отчаянии, дела расстроены… Нет, mon cher, ты и Софи должны понять это.
Николай молчал. Ему приятно было слышать эти выводы.
– Все таки, ma tante, этого не может быть, – со вздохом сказал он, помолчав немного. – Да пойдет ли еще за меня княжна? и опять, она теперь в трауре. Разве можно об этом думать?
– Да разве ты думаешь, что я тебя сейчас и женю. Il y a maniere et maniere, [На все есть манера.] – сказала губернаторша.
– Какая вы сваха, ma tante… – сказал Nicolas, целуя ее пухлую ручку.
Приехав в Москву после своей встречи с Ростовым, княжна Марья нашла там своего племянника с гувернером и письмо от князя Андрея, который предписывал им их маршрут в Воронеж, к тетушке Мальвинцевой. Заботы о переезде, беспокойство о брате, устройство жизни в новом доме, новые лица, воспитание племянника – все это заглушило в душе княжны Марьи то чувство как будто искушения, которое мучило ее во время болезни и после кончины ее отца и в особенности после встречи с Ростовым. Она была печальна. Впечатление потери отца, соединявшееся в ее душе с погибелью России, теперь, после месяца, прошедшего с тех пор в условиях покойной жизни, все сильнее и сильнее чувствовалось ей. Она была тревожна: мысль об опасностях, которым подвергался ее брат – единственный близкий человек, оставшийся у нее, мучила ее беспрестанно. Она была озабочена воспитанием племянника, для которого она чувствовала себя постоянно неспособной; но в глубине души ее было согласие с самой собою, вытекавшее из сознания того, что она задавила в себе поднявшиеся было, связанные с появлением Ростова, личные мечтания и надежды.
HART-протокол
HART -протокол (Highway Addressable Remote Transducer – Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь), разработан фирмой Fisher Rosemount Inc .
Скоростьпередачи данных по стандарту HART -протокола до 1200 бит/с. Обмен реализуется по принципу Master /Slave . В сети может присутствовать до 2 Master -узлов, при этом второй Master , 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 в Master -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.
HART протокол использует стандарт BELL 202 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. 2.24).
Рис. 2.24. Форма сигнала передачи
Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HART протокола соответствует физическому уровню OSI модели протоколов.
Среднее значение синусоидального сигнала 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, осуществляется 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 HART определяет, 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 HART протокола приведены в таблице 2.9. Все значения даны между пиками сигнала (двойная амплитуда).
Таблица 2.9. Уровни коммуникационного сигнала
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 HART сигналами.
Стандартная схема соединения двухпроводного передатчика показана на рис. 2.25.
Рис. 2.25. 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 А и В , либо через сопротивление нагрузки в точках B и C , в этом случае цепь замыкается через источник питания.
HART протокол 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. 2.26.
Рис. 2.26. Метран-280 в многоточечном режиме
На рисунке 2.26 обозначено: БП – блок питания; PV 1 – HART -модем; PV 2 – 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 , Visual Instrument , H –Master ) для настройки интеллектуальных.
3. HART -мультиплексор – обеспечивает связь персонального компьютера или средств АСУ ТП с 8-ю или 16-ю интеллектуальными датчиками и любыми другими устройствами, поддерживающими HART -протокол. Мультиплексор обеспечивает преобразование информационного сигнала HART в цифровой сигнал интерфейса RS -485 или RS -232, при этом аналоговый сигнал 4÷20 мА токовой петли может использоваться системой регистрации и управления.
2.4.3. AS – интерфейс
Назначение AS -интерфейса (Actuators Sensors Interface – ASI ) – обеспечение взаимосвязи исполнительных устройств и датчиков. В интерфейсе ASI предусмотрены шлюзы в другие промышленные сети – ModBus , PROFIBUS , INTERBUS-S , Device Net .
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 сети ASI приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.10. Характеристики AS – интерфейса
Логическим центром любой топологии является один Master -узел, который контролирует работу сети и организует обмен данными с PLC . ASI -Master может быть организован на широком спектре контроллеров, через которые организуются шлюзы в промышленные сети более высокого уровня. Часто ASI -Master оформляется 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 поддержкой ASI -протокола. По одной паре проводов интерфейс ASI позволяет передавать как данные, так и питание к узлам сети. Упрощенная схема ASI -сети представлена на рис. 2.27.
Рис. 2.27. 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.
Гавин Бакши, Одри Дейриен (Texas Instruments)
Устройства связи в системах промышленной автоматизации позволяют передавать данные, команды и другую информацию для оптимизации управления технологическим процессом и автоматизации производства. Обслуживающему персоналу затруднительно следить за всем оборудованием на заводе – это бы существенно снизило производительность.
Один из способов автоматического контроля промышленного оборудования – это использование токовой петли 4…20 мА. Первичная переменная (PV) передается как значение тока в диапазоне 4…20 мА в двухпроводной линии с питанием датчика по тем же двум проводам. Недостаток этого метода заключается в том, что вы можете контролировать только одну переменную. Протокол Скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (Highway Addressable Remote Transducer, HART) дает возможность передавать больше информации по той же двухпроводной системе. Протокол HART является распространенным методом связи в промышленной автоматизации на протяжении уже многих лет. Рассмотрим, работу HART, но сперва вспомним, как возник этот метод.
В конце 1990-х годов в телекоммуникации был принят стандарт Bell 202 для передачи информации о вызывающем абоненте в линии голосового сигнала. Частотная манипуляция сигнала (FSK) в звуковом диапазоне, которая использует модулированные тоны для передачи цифрового сигнала, передает цифровую информацию, содержащую номер телефона. Передача данных со скоростью 1200 бит/сек с использованием тональных частот 1200 и 2200 Гц, представляющих двоичный «1» или «0» соответственно, показана на рисунке 1.
Информация о вызывающем абоненте не создает помехи голосовому сигналу, так что вся она может передаваться по одной и той же физической линии. Внедрение способа “Bell 202 FSK” позволило еще до снятия трубки на принимающей стороне отправлять большой объем данных, который может быть выделен и использован для передачи информации номера вызывающего абонента. После того как трубка телефона поднята, передача сигнала FSK прекращается, и голосовой сигнал будет принят и передан на динамик телефонной трубки.
В примере с передачей информации о вызывающем абоненте речевой сигнал представляет собой первичную переменную (PV). Аналогичным образом в промышленных приложениях сигнал, который должен постоянно контролироваться, известен как основное измеряемое значение. Основным измеряемым значением может быть температура или уровень давления, измеряемые в промышленных установках.
Модем HART модулирует и демодулирует сигнал с использованием FSK таким же образом, как и система передачи Bell 202. Теперь возможно передавать цифровые данные, к примеру, идентификацию датчика или устройства, данные калибровки или другую диагностическую информацию по той же двухпроводной петле, по которой передается и сигнал постоянного тока 4…20 мА. Такая система обычно называется «гибридной», поскольку она сочетает в себе как цифровые, так и аналоговые сигналы. На рисунке 2 показаны аналоговый сигнал и наложенный цифровой сигнал.
Протокол HART имеет два основных режима работы: «точка-точка» и режим множественного доступа. В режиме «точка-точка» имеется одно ведущее устройство и одно ведомое. Преимущество этого режима заключается в том, что цифровые данные легко передаются по существующей линии 4…20 мА, что обеспечивает более детальный мониторинг устройства по существующей инфраструктуре сетей связи. В режиме множественного доступа к одной линии присоединяется несколько ведущих и ведомых устройств, поэтому могут передаваться только данные протокола HART FSK, а постоянный ток в линии фиксируется на уровне 4 мА. Режим множественного доступа может быть полезен, если много вынесенных устройств обменивается данными с единой системой управления, но в этом случае постоянный ток интерфейса «токовая петля» не может быть использован для непрерывного отслеживания основного измеряемого значения.
HART – это гибкий способ коммуникации для различных приложений промышленной автоматизации. Сам метод предлагает множество преимуществ, которые снижают стоимость, упрощают проектирование и обеспечивают такие результаты, как:
- передача (сопутствующей) цифровой информации без прерывания основного аналогового сигнала;
- простая реализация с использованием существующей двухпроводной инфраструктуры 4…20 мА;
- гибкие способы работы для удовлетворения потребностей различных систем.
Семейство микросхем DAC8740H производства компании Texas Instruments объединяет модем HART вместе со всеми сопутствующими компонентами, такими как источник опорного напряжения и генератор, что облегчает встраивание в готовую систему.
Продолжение темы читайте в статье «Передатчики стандарта HART».