HART. Промышленная сеть HART

По мере развития микроэлектроники в приборостроении получило развитие новое направление  - создание интеллектуальных датчиков (ИД), под которыми понимаются программируемые устройства измерительного преобразования физической величины в электрический сигнал. 

Важным достоинством применения ИД в составе АСУТП является то что ИД позволяют в условиях объекта без демонтажа датчика автоматизированно выполнять следующие достаточно трудоемкие операции:

     – настройку многодиапазонных датчиков на требуемый диапазон измерения физической величины (например: в некоторых газопроводах летние и зимние расходы газа отличаются на порядок, что требует использования датчиков с разными диапазонами измерения),

     – изменение инерционности датчиков при выполнении преобразования входной физической величины,

– чтение паспортных данных ИД,

– проверку  работоспособности ИД,

– калибровку ИД.

Перечисленные достоинства ИД потенциально способны обеспечить перспективы существенного снижения стоимости технического обслуживания средств измерения. Наиболее эффективная реализация этого потенциала ожидалась в составе действующих автоматизируемых систем с большим количеством датчиков. Однако именно в действующих системах это оказалось трудно реализуемым из-за того, что в них ИД должны были заменять традиционные датчики, которые подключались к УСО радиальными линиями связи, а переделка действующих систем даже под перспективные ИД  оказалась нерентабельной.

Для реализации потенциальных возможностей ИД и обеспечения перспективы их широкого использования, в том числе и в составе действующих АСУТП, потребовалась разработка специального системотехнического решения. В середине 80-х годов компания Rosemount - лидер в области разработки и производства ИД, предложила промышленную  шину HART– Highway Addressable Remote Transducer (Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь).Ниже характеристики HART рассмотрим в соответствии с [17].

 

         При реализации соединения «точка-точка» задача внедрения ИД в действующих системах ставилась так:

- обеспечить возможность замены интеллектуальными датчиками традиционных датчиков  с использованием существующих двухпроводных линий связи;

-   обеспечить возможность программной настройки ИД в составе системы  без их демонтажа. и. с использованием существующих двухпроводных линий связи.

         Поставленная задача решена разработкой HART с топологией «точка-точка» в соответствии с рис.10.1. Как видно из рис.10.1, ИД связан с МВВ УСО двухпроводной линией связи, по который от датчика передается токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА (как и в традиционном решении). Для взаимодействия оператора с ИД к существующей линии связи подключается портативный HART-терминал, осуществляющий передачу и прием цифровых сигналов, позволяя  считывать данные, настраивать параметры и контролировать работоспособность ИД. Независимое функционирование цепи передачи измерительного аналогового сигнала 4…20 мА от передачи цифрового сигнала достигнуто путем фильтрации цифрового сигнала  HART-терминала  на входе МВВ.

     

                                  

 

  Рис.10.1.    Топология «точка-точка»

 

         По мере активного внедрения топологии «точка-точка» стало очевидно, что HART-терминал может использоваться не только во входных  цепях измерения, но и в выходных цепях УСО, осуществляющих формирование управляющего сигнала:  например, - в цепи передачи аналогового сигнала 4…20мА для задания уставки «интеллектуальному» регулятору (см. рис.10.1). В этом случае через HART-терминал осуществляется возможность  чтения параметров, характеризующих работу регулятора, выполнения операций по настройке регулятора и проверки его работоспособности. 

          В дальнейшем HART-технология автоматизации была дополнена    возможностями создания многоточечных структур и оформлена в виде открытого протокола, описанного по уровням 1, 2 и 7 модели ISO/OSI.

 

10.1.2.  Физический уровень HART реализуется с использованием 2-х проводного кабеля, по которому осуществляется и передача сигнала, и питание сетевых HART устройств. Топология линии связи может быть типа «точка-точка» по рис.10.1 или в виде магистральной структуры в соответствии с рис. 10.2.

 

                             Рис. 10.2.   Многоточечная топология HART

          Цифровой сигнал HART в соответствии с модемным стандартом Bell 202 формируется методом частотной модуляции: логическая «1» передаётся частотой 1200 Гц, а логический «0» передается частотой  2200 Гц. Частотно модулированный сигнал передается со скоростью 1200 бит/с.

         Максимальная длина линии связи сети HART зависит от характеристик  кабеля связи (погонные значения индуктивности и емкости) и от топологии. При соединении «точка-точка» в зависимости от характеристик кабеля максимальная длина линии связи может составлять 600…2000 м, а  при многоточечной топологии из-за суммирования емкости всех нагрузок максимальная длина линии связи может уменьшиться до 100 м.

На рис.10.2. показано, что в HART структуре имеются два ведущих устройства (мастера) - МS1 и МS2 и до 15-ти ведомых устройств – SL. Ведущие устройства передают сигнал напряжения в диапазоне 400…600 мВ, а ведомые устройства передают токовый сигнал в диапазоне 0.8…1.2 мА. Токовый сигнал преобразуется в сигнал напряжения с помощью сопротивления нагрузки линии связи (эквивалентного сопротивления всех входов, подключенных к линии связи). По этой причине в многоточечной топологии значение нагрузки линии связи ограничивается в пределах 230...1100 Ом, что обеспечивает формирование сигнала на входе приемного устройства в диапазоне 120…2000 мВ (рабочий диапазон -184…1320 мВ;  сигналы менее 80 мВ – игнорируются).

          Постоянный ток в линии связи используется только для питания каждого SL в пределах 4 мА. По этой причине вспомогательный источник питания по рис.11.2. должен обеспечивать нагрузку до 60 мА.

          

          10.1.3.  Канальный уровень  HART реализуется протоколом передачи данных типа «ведущий- ведомый» со структурой HART-сообщений в соответствии  с  табл. 10.1.

                                                                                                 Таблица 10.1.

Запрос от ведущего устройства
РА	SD	AD	CD	BC	Поле  данных  0…25  байт		CHK
Ответ  от ведомого  устройства
РА	SD	AD	CD	BC	ST	Поле  данных  0…25  байт	CHK
Передача сообщения осуществляется байтами. Формат байта: старт- 8бит данных- бит паритета- стоп; РА – преамбула, SD- стартовый символ,  AD-адрес назначения, CD - команда, BC- число байт данных,  ST- статус полевого устройства.

 

- Преамбула  РА состоит из трех шестнадцатеричных символов FFF, которые позволяет принимающему устройству синхронизировать свои схемы приема частоты на получение сигнала после любой паузы в передаче.

- Стартовый символ SD представляется одним байтом и имеет разные значения, указывая: какой формат сообщения используется, какое устройство является источником сообщения и находится ли первичное устройство в активном режиме:

 

Стартовый символ SD	Короткий кадр	Длинный кадр
От ведущего к ведомому	02	82
От ведомого к ведущему	06	86
В активном режиме от ведомого	01	81

 

    - Адрес AD – это поле, которое содержит два адреса: ведущего и ведомого устройств. Эти адреса содержатся и в одном байте короткого формата, и в 5-ти байтах длинного формата.  

      Адрес короткого формата:

 

Биты	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0
Назначение	Адреса: МS1 – 1, МS2- 0		Пакетн. режим	0	Адрес ведомого устройства ( 0 – для канала 4…20 мА )

 

Адрес длинного формата:

 

Биты	b7	b6	b5	b4	b3	b2	b1	b0
НазначениеБайт 1	Адреса: МS1 – 1, МS2- 0		Пакетн. режим	Адрес ведомого устройства ( 0 – для канала 4…20 мА )
Байт 2	Адрес ведомого устройства, продолжение: биты  6….  14
Байт 3	Адрес ведомого устройства, продолжение: биты  15….22
Байт 4	Адрес ведомого устройства, продолжение: биты  23….30
Байт 5	Адрес ведомого устройства, продолжение: биты  31….38

 

          Кроме адреса МS1 или МS2 и идентификатора пакетного режима работы адрес длинного формата содержит  адрес ведомого устройства: 38 бит уникального номера. В этом номере указываются: код производителя, код типа устройства, код идентификатора типа устройства. Задание такого адреса фактически делает каждое HART- устройство опознаваемым в любой многоуровневой системе.

- Команда CD  - представляется байтом. Код  полученной команды в том же виде передается назад в ответном сообщении ведомого устройства.

- Число байт данных BC передается байтом, значение которого указывает количество байт, содержащихся в части сообщения, включающего статус и данные. Байт контрольной суммы в это количество не включается. Приемное устройство использует это значение для идентификации байта контрольной суммы и определения конца сообщения.

- Cтатус  ведомого устройства ST- передается только в составе ответного сообщения SL двумя байтами информации, закодированной поразрядно. В первом статусном байте находятся ошибки обмена данными. Во втором статусном байте содержится состояние функционирования SL. При нормальной работе SL оба статусных байта должны быть нулевыми.  

- Данные DT - максимальное количество байт данных – до 25. Данные могут быть представлены в виде целых чисел без знака, чисел с плавающей запятой или строк из ASCII символов. Но не все команды и ответы содержат данные.

- Контрольная сумма CHK передается байтом, в котором содержится результат логической операции «исключающее ИЛИ» (продольная четность) над всеми байтами, начиная со стартового символа. CHK  дополняет проверку на четность каждого байта. Сочетание двух проверок гарантирует обнаружение любого единичного искажения до трех бит.

         Пример короткого формата сообщения: SD=02 -сообщение короткого формата от ведущего к ведомому. AD=82- сообщение от МS1 ведомому устройству с адресом  2.   CD=01 – команда: считать значение переменной.  BC=00 – нет байт данных. Контрольная сумма  (продольная четность) =81.

 

PA			SD	AD	CD	BC	CHK
FF	FF	FF	02	82	01	00	81

 

          Каждое из двух  ведущих  устройств  может быть готово к передаче через 270 мс (время ожидания). Цикл обновления данных повторяется 2-3 раза в секунду в режиме «запрос-ответ» и 3-4 раза в секунду в пакетном режиме. Несмотря на относительно большую длительность цикла, в большинстве случаев он является достаточным для управления непрерывным процессом.

 

10.1.4. Пользовательский уровень HART представляется тремя типами команд CD:

 

Типы команд	Назначение
Универсальные	10 команд: используются и поддерживаются  всеми ведомыми при-борами и обеспечивают, например, считывание первичных значений измерений, диапазона измерений, граничных величин или констант.
Стандартные	Используются в большинстве HART приборов, но не во всех. Это  команды считывания и записи стандартных и приборных параметров (например,- установить фиксированное значение выходного тока ).
Специфические	Содержат функции, которые ограничиваются конкретной моделью или типом прибора: команды, связанные с настройкой, вводом в эксплуатацию или работой специфических приборов типа-  калибро-вка ультразвукового датчика или чтение базовых данных прибора. Имеются три типа команд, которые будут рассмотрены ниже.

<