Промислові мережі та інтеграційні технології в автоматизованих системах. 2. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМИСЛОВИХ МЕРЕЖ 2.5. Короткий огляд промислових мереж

2.5.7. HART-протокол

2.5.7.1. Походження.

Походження. HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer) розроблений фірмою Rosemount Inc. у середині 80-х років, реалізує стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying) для організації цифрової передачі, заснованої на технології 4-20 мА. HART це - відкритий стандарт, що працює з будь-якою системою управління й підтримується усіма провідними виробниками устаткування й програмного забезпечення в області автоматизації. HART-протокол по суті доповнює технологію 4-20 мА цифровими можливостями, а саме:

• дозволяє передавати одночасно аналоговий і цифровий сигнал по одній витій парі, при чому зберігається повна сумісність і надійність існуючих аналогових ліній 4-20 мА;

• дає можливість дистанційно здійснювати діагностику й настроювання польових приладів, використовуючи для цього HART-комунікатор або комп’ютер з відповідним ПЗ; це особливо зручно, коли датчики розташовані у важкодоступних місцях, на великих відстанях один від одного, а також в умовах шкідливих або небезпечних виробництв.

• скорочує затрати на кабельну продукцію, установку, налагодження й на поточне технічне обслуговування;

• дає зручність при роботі з багатопараметричними приладами, тому що можна одержувати інформацію про декілька змінних процесу по одній парі проводів;

• прилади, що підтримують HART-протокол, можуть встановлюватись у вибухонебезпечних зонах класу 0, класу 1 і класу 2;

• неперервна самодіагностика забезпечує високу надійність устаткування; інформація про стан приладу передається у кожному повідомленні від пристрою;

• користувач має можливість прочитати будь-які параметри датчика: значення змінних, одиниці й діапазон вимірювання, індивідуальні параметри приладу.

На сьогоднішній день доступна також HART-сумісна технологія Wireless HART, яка в декількох словах описана в розділі 4.

2.5.7.2. Фізичний рівень.

Існує два режими роботи датчиків, що підтримують HART протокол:

1. режим точка-точка, коли передача цифрової інформації проходить одночасно з аналоговим сигналом; при цьому можна на відстані (до 3000 м) здійснювати настроювання й конфігурування датчика й операторові немає необхідності обходити всі датчики - їх можна настроїти зі свого робочого місця;

2. у багатоточковому режимі датчик передає й одержує інформацію тільки в цифровому вигляді, а аналоговий сигнал датчиків виставляється рівним 4-мА; інформація про змінні процесу зчитуються по HART-протоколу; до однієї пари проводів може бути підключено до 15 датчиків, їхня кількість визначається довжиною і якістю лінії, а також потужністю блоку живлення датчиків.

В HART мережі по двох проводах здійснюється живлення датчика, прийом від нього сигналу про значення параметра і здійснюється настроювання датчика за допомогою HART-модему.

В основі HART-протоколу використовується принцип частотної модуляції (ЧМ). Частотно-модульований сигнал є двополярним і при застосуванні відповідної фільтрації не впливає на основний аналоговий сигнал 4-20 мА. Відповідно до HART-протоколу цифровий сигнал малої амплітуди (±0.5 мА) накладається на аналоговий сигнал 4-20 мА (рис.2.27). У відповідності зі стандартом Bell 202 для передачі логічної “1” HART використовує один повний період частоти 1200 Гц, а для передачі логічного “0” - два неповних періоди 2200 Гц. Оскільки такий Чм-сигнал має нульове середнє значення й фаза сигналу безперервна, то на аналоговий сигнал 4-20 мА він ніяк не впливає. Чм-складова накладається на струмову петлю 4-20 ма. Бітова швидкість - 1200 біт/с.

Рис.2.27. Діаграма накладання цифрового частотно-модульованого сигналу малої амплітуди (±0.5 мА) на аналоговий сигнал 4-20 мА

Стандартна топологія – зірка (декілька променів до ведучого пристрою), при багато точковому з’єднанні - шина, коли 15 вузлів підключені до однієї витої пари.

Прилади з HART-інтерфейсом можуть підключатися за допомогою таких способів (рис.2.28):

• через спеціалізовані модулі HART;

• через HART-Модем, за допомогою якого встановлюється з’єднання «точка-точка» між комп’ютером і HART-пристроєм;

• через HART-мультиплексори.

Найбільш прийнятим засобом для підключення декількох ведених пристроїв в єдину систему є мультиплексор, що забезпечує доступ до них через інтерфейс RS-485, RS-232 і Ethernet.

2.5.7.3. Канальний рівень.

На канальному рівні використовується метод доступу Ведучий-Ведений з можливістю 2-х Ведучих вузлів. Ведучий формує запити для Веденого, який на них відповідає. При з’єднанні точка-точка, Ведучий вузол може замовити так званий пакетний режим передачі, при якому Ведений сам відправляє повідомлення з даними з певною періодичністю.

2.5.7.4. Прикладний рівень.

Для передачі даних в шинній топології використовується класична схема Клієнт-Сервер. Ведучий завжди являється Клієнтом і генерує запити до Веденого на отримання певних величин, реальних даних і будь-яких інших параметрів, наявних у пристрої. Ведений пристрій інтерпретує ці команди відповідно до HART-протоколу. У відповідь Ведучому пристрою передається інформація про статус і значення параметрів Веденого пристрою. За одну посилку один вузол може передати іншому до 4 технологічних змінних, а кожний HART-пристрій може мати до 256 змінних, що описують його стан. Контроль коректності переданих даних заснований на одержанні підтвердження. При пакетному режимі (тільки в режимі точка-точка) після запиту Клієнта, Сервер Веденого періодично формує повідомлення.

Рис.2.28. Приклад системи з використанням HART в режимі точка-точка

Весь набір команд, реалізованих в HART-протоколі, умовно можна розділити на три групи.

1. Універсальні – основні команди, які підтримуються усіма типами ведених пристроїв: зчитування інформації про тип засобу, фірми виготовлювача; зчитування вимірювального параметру (PV) та одиниці виміру; зчитування струмового виходу та проценту діапазону; зчитування наперед визначених динамічних змінних; зчитування символьних змінних, дати; зчитування/запис 32-символьного повідомлення; зчитування діапазону датчику, одиниць виміру та константу часу демпфування; зчитування серійного номеру чутливого елементу та обмеження; зчитування/запис номеру останньої зборки; запис адреси для багатоточковго режиму.

2. Стандартні (для груп пристроїв) – команди, які використовуються практично у всіх HART-пристроях.

3. Специфічні ( що залежать від пристрою) – команди настроювання специфічних, індивідуальних параметрів якого-небудь пристрою.

Таблиця 2.17. Характеристики HART-протоколу.

OSI	характеристика	HART “точка-точка”	HART багатоточкове з’єднання
	NetArea	рівень датчиків	рівень датчиків
прикладний	AppService	періодичний/аперіодичний обмін вимірювальними даними пристрою (дані процесу); управління станом вузла; діагностичні сервіси; конфігурування вузла (параметричні дані);	періодичний/аперіодичний обмін вимірювальними даними пристрою (дані процесу); управління станом вузла; діагностичні сервіси; конфігурування вузла (параметричні дані);
прикладний	AppModel	клієнт-серверна модель обміну повідомленнями; модель клієнт -сервер з пакетним режимом;	клієнт-серверна модель обміну повідомленнями;
прикладний	AppProcData	до 256 змінних на пристрій, до 4 змінних за посилку	до 256 змінних на пристрій, до 4 змінних за посилку
прикладний	AppResolut	пакетний режим: 1 с/ 3 транзакції+	1 с / 2 транзакції+
канальний	ChAddModel	Відправник-Аресат-msg: короткий формат адреси (0-15), де 1 – Ведучий-контролер; 0-Ведучий- комунікатор; довгий формат (>=V4) + 4 байти на унікальний ідентифікатор пристрою
канальний	ChAccess	Ведучий-Ведений, дозволяється два Ведучі (контролер+комунікатор)	Ведучий-Ведений, дозволяється два Ведучі (контролер+комунікатор)
канальний	ChChecksum	XOR	XOR
фізичний	PhInterface	BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying) модуляція несучої 4-20 мА.	BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying) модуляція несучої 4-20 мА.
фізичний	PhMedia	вита пара	вита пара
фізичний	PhTopology	точка-точка, зірка	шина
фізичний	PhLdrop		приймаються в розрахунок PhLength
фізичний	PhBaudRate	1200 біт/с	1200 біт/с
фізичний	PhNodes	3	15 (для V<5); 38-разр. адреса (для V >=5)
фізичний	PhLength	1500 м	1500 м
фізичний	PhSupply	по інформаційній парі проводів	по інформаційній парі проводів

+ - 1 транзакція вміщує до 25 байт, до 4 змінних

<– 2.5.6. Мережі PROFIBUS

–> 2.5.8. Мережа AS-і