Вредоносное ПО (malware) - это назойливые или опасные программы,...
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:
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
Байт 2 - ошибки соединения
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.
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).
- Доступ к функциям настройки и диагностики всех датчиков и устройств
- Поддержка передачи нескольких измеряемых параметров от одного датчика
- Статус полевых устройств в режиме On-line
Совместимость HART с аналоговыми датчиками
- Передача параметров по аналоговой цепи и цифровой интерфейс через одну линию связи
- Совместимость с существующим оборудованием 4-20 мА
- По факту полностью открытый стандарт
- Общие стандарты команд и структуры данных
- Возможность передачи уникальных данных и максимальная совместимость, используя Device Description Language (DDL).
Доступность HART
- Проверенная в полевых условиях технология с более чем 1,400,000 установленных устройств
- Большой и постоянно растущий выбор совместимых продуктов
- Используется большим количеством цифровых интеллектуальных устройств, чем для любого другого промышленного протокола.
Введение
HART – это протокол передачи данных между полевыми устройствами, широко известный промышленный стандарт, основанный на передачи цифровых данных по линии связи 4-20 мА между интеллектуальными приборами. Применение этой технологии широко распространено, и сегодня подавляющее большинство крупнейших производителей приборов предлагает продукты с поддержкой HART протокола.
HART протокол обеспечивает уникальную обратную совместимость для интеллектуальных приборов, совмещая аналоговые линии 4-20мА с цифровым интерфейсом передачи данных, передаваемых одновременно по тем же проводам. HART обеспечивает множество преимуществ цифровых полевых протоколов, дополняя доступность и распространенность существующих систем 4-20 мА.
В среднем, устройства с HART протоколом обеспечивают до 10 000 – 15 000 рублей экономии на монтаже и пуско-наладке и до 3 000 – 5 000 экономии в год на эксплуатации и обслуживании для каждого прибора.
Аналоговая + Цифровая связь
Уже много лет, полевым стандартом передачи данных в системах автоматизации является аналоговый токовый сигнал (мА). В большинстве случаев он представляет собой милиамперный сигнал в диапазоне от четырех до двадцати ампер, величина которого пропорционально соответствует измеряемой величине. Этот сигнал используется повсеместно на предприятиях всех стран мира.
Одновременная Аналоговая + Цифровая связь
Полевое протокол передачи данных HART расширяет границы стандарта 4-20 мА до возможностей организации интеллектуальных систем измерения и управления процессами. Разработка этого протокола стала важным шагом в эволюции средств автоматизации и расширения возможностей приборов. Технология, расширяющая возможности передачи данных, получила название HART, что означает “Highway Addressable Remote Transducer” (высокоскоростной адресный удаленный передатчик).
Рисунок 1 - HART использует метод частотного сдвига для передачи
цифрового сигнала на верхнем уровне 4-20 мА аналогового сигнала
HART протокол обеспечивает двухсторонний обмен данным с цифровыми устройствами без прерывания аналогового сигнала 4-20 мА. И аналоговый 4-20 мА и цифровой HART сигнал могут передаваться одновременно по одним и тем же проводам. Основной параметр и состояние линии связи передаются через стандарт 4-20 мА, в то время как дополнительные измеряемые параметры, данные о процессе, настройки прибора, калибровочные данные и диагностическая информация передаются через HART протокол по тем же проводам в то же время. В отличии от других «открытых» цифровых протоколов для промышленных приборов, HART совместим с существующими системами, что значительно упрощает его планомерное внедрение с минимальными затратами.
Технология HART
В основе HART протокола заложен стандарт частотного сдвига Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) - модуляция цифрового сигнала на нижнем уровне сигнала 4-20 мА. При этом модуляция FSK никак не влияет на сигнал 4-20 мА. Логическая единица соответствует частоте 1200 Гц, а логический ноль соответствует частоте 2200 Гц, как показано на рисунках 1 и 2.
HART FSK передача данных обеспечивает двухстороннюю цифровую связь и делает возможным передачу дополнительной информации от или к интеллектуальному полевому устройству, не влияя на передачу основного параметрам. HART передает данные со скоростью 1200 бит в секунду и позволяет главному в сети (master) получать два и более пакета данных в секунду от полевого устройства.
Рисунок 2 - Цифровой сигнал HART накладывается на
4-20 мА аналоговый сигнал
Гибкое применение
HART построен по принципу master/slave протокола, что означает, что полевое устройство (slave) передает данные только в ответ на запросы другого устройства (master). В HART сети могут отправлять запросы к полевым устройствам (slave) два мастера (primary и secondary). Secondary мастер, например, переносной коммуникатор, может подключаться практические в любой точке сети и работать с полевыми устройствами без влияния на работу устройств с Primary мастером. Как правило, Primary мастерами являются контроллеры и компьютеры, т.е. центральные устройства в АСУТП. Типичная схема работы с двумя мастерами представлена на рис. 3.
HART протокол может использоваться в различных режимах связи от или к интеллектуальных полевых устройств и к центральному пульту управления или контролирующего оборудования. Цифровая передача master/slave в сочетании с аналоговым сигналом 4-20 мА очень распространены. В этом режиме, в то время как основной параметр стабильно передает по аналоговой сети 4-20 мА для организации контроля и управления процессом, параллельно дважды в секунду обновляется информация по дополнительным параметрам.
Рисунок 3 - HART протокол позволяет 2 устройствам типа "master"
обмениваться информацией с полевыми устройствами типа "slave"
Пример применения
Возможности HART протокола демонстрируются на рисунке 4. Этот пример применения иллюстрирует возможности одновременной передачи данных 4-20 мА и HART данных по одним и тем же проводам.
В этом пример, HART совместимый преобразователь имеет встроенную функцию ПИД регулирования. Устройство сконфигурировано таким образом, что сигнал в цепи 4-20 мА пропорционален значению регулирования по ПИД алгоритму, рассчитанному непосредственно в устройстве (то есть из преобразователя выходит сигнал не измеряемой величины). Поскольку в цепи 4-20 мА подается сигнал ПИД управления, то он используется для прямого управления клапаном.
Сигнальная цепь организована непосредственно между полевыми устройствами: преобразователей (с ПИД регулированием) и управляющим клапаном. Функция управления клапаном реализована на базе традиционного сигнала 4-20 мА, в то время, как связь по цифровому протоколу HART позволяет оператору изменять параметры алгоритма ПИД регулирования, получать информацию о первичной измеряемой величине и положении клапана.
Рисунок 4 - Некоторые приборы со встроенными ПИД алгоритмами и с HART
сокращают затраты на реализацию систем управления процессом
Лучшее решение
HART протокол обеспечивает потребителей лучшими решениями автоматизации с возможностью постепенного или частичного внедрения интеллектуальных полевых устройств в существующую систему. На сегодняшний день, никакая другую технология не может быть сопоставима со спектром линейки продукции с поддержкой HART. Технология проста для применения, а HART совместимые продукты выпускаются всеми основными производителями средств измерений и управления процессами.
Сложно представить, что какой-либо другой протокол передачи данных может заменить HART как при модернизации существующего производства, так и при построении абсолютно новых производственных процессов. HART предлагает пользователям множество тех же преимуществ, что и другие полевые протоколы, но при это сочетает в себе совместимость и простоту существующих систем 4-20 мА. HART даёт экономию затрат за счет удаленной связи, разнообразную и достоверную информацию о процессе, диагностику полевых устройств и мощный многопараметрический обмен данными без замены существующих систем управления.
Выбор HART при подключении к существующим и вновь строящимся АСУТП основан на широких возможностях цифровой передачи данных и огромным накопленным опытом (более 5 000 000 установок по всему миру).
Для поддержки и развития протокола HART существует организация HART Communication Foundation, которая гарантирует, что технология будет на работать на Ваше благо и сегодня и завтра.
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.
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
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».
