Что такое харт протокол

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое протокол HART, как он работает и каковы его особенности

Что такое протокол HART

Преимущества формирования связи между двумя машинами (или компонентами внутри них) для общения друг с другом были очевидными для специалистов по промышленной автоматизации и управлению еще до того, как Интернет вещей (IoT) стал распространенным явлением. Во многих случаях, например, требовалась отправка значений датчика температуры в центре коленчатого вала для управления реле привода двигателя и т. д,, и одним из протоколов связи, использованных для достижения этого, был протокол HART.

Протокол HART считается самым популярным протоколом в промышленной автоматизации (благодаря более чем 30 миллионам устройств на его основе), и сегодняшняя статья предоставит обзор того, что делает его таким особенным. Мы рассмотрим его принцип работы, функции, особенности и обновленные версии, такие как WirelessHART.

Протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) является одним из самых популярных протоколов открытых коммуникаций, используемых в промышленной автоматизации для отправки и получения цифровой информации по аналоговой проводке между интеллектуальными устройствами и системами управления. Этот протокол является усовершенствованием протокола последовательной связи, такого как RS485, и является средством, которое также широко используется в промышленности.

Он был разработан компанией Emerson в 1980-х годах как собственный протокол связи для устранения недостатков в существующем протоколе связи токовой петли 4-20 мА, который мог передавать только один параметр или измеренное значение. С помощью HART в промышленной автоматизации можно обеспечить двунаправленную связь, которая устраняет недостатки 4–20 мА, но также сохраняет инфраструктуру, поскольку протокол HART может отправлять цифровые сигналы, накладывая его на аналоговые сигналы без искажений или помех.

Результатом вышесказанного является создание двух одновременных каналов связи: аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Именно из-за этой комбинации протокол называется гибридным протоколом. Типичные приложения, такие как измерительные приборы, могут использовать сигнал 4-20 мА для отправки основного измеренного значения и использовать наложенный цифровой сигнал для отправки дополнительной информации.

Поддержка устройств на основе 4-20 мА означала, что компании могут продолжать использовать свое устаревшее оборудование. Это, наряду с тем, что протокол стал «открытым», привело к повышению уровня принятия протокола, пока он не стал стандартом де-факто в отрасли.

Принцип работы протокола HART

Связь HART осуществляется между двумя устройствами с поддержкой HART, обычно интеллектуальным полевым устройством и системой управления или мониторинга. Как описано ранее, устройства, основанные на протоколе, передают аналоговый сигнал, используя существующий подход 4-20 мА, и цифровые сигналы, накладывая сигнал (в виде сигнала переменного тока) на аналоговый сигнал 4-20 мА, используя стандарт FSK Bell 202.

Процедура FSK (частотная манипуляция) включает в себя наложение синусоидальных волн двух частот, обычно 1200 Гц и 2200 Гц, которые представляют биты (1 и 0 соответственно) передаваемых данных. Использование FSK гарантирует, что среднее значение двух частот всегда равно нулю, гарантируя, что цифровой сигнал не влияет на аналоговый сигнал.

Для удовлетворения потребностей различных приложений устройства по протоколу HART можно настроить для работы в двух основных режимах: режим «точка-точка» и режим Multi-Drop.

В режиме «точка-точка» цифровые сигналы накладываются на ток петли 4–20 мА таким образом, что как ток 4–20 мА, так и цифровой сигнал могут использоваться при передаче сообщений между ведущим и ведомым устройствами. Это представляет собой типичное применение протокола со вторичными переменными и данными, которые могут использоваться для целей мониторинга, обслуживания и диагностики, и обмениваются цифровыми сигналами, в то время как сигналы управления передаются по аналоговой половине протокола. Иллюстрация конфигурации двухточечной сети приведена на следующем рисунке.

Режим сетевой конфигурации Multi-Drop позволяет нескольким устройствам подключаться к одной паре проводов способом, аналогичным протоколам на основе адресов, таким как i2c. Связь в многоточечном режиме полностью цифровая, так как связь через аналоговый токовый контур отключена, поскольку ток через каждое из устройств фиксируется на минимальном значении, достаточном только для работы устройства (как правило, 4 мА). Многоточечные сети обычно используются в приложениях диспетчерского управления, которые широко расположены, как на нефтебазах и трубопроводах. Конфигурация сети Multi-Drop показана на следующем рисунке.

В режиме связи запрос-ответ подчиненные устройства передают информацию только тогда, когда запрос выдается ведущим устройством. Несмотря на то, что этот режим имеет свои недостатки, особенно снижение скорости передачи данных (2-3 обновления данных в секунду), он помогает сделать протокол простым, эффективным и легким в реализации.

Чтобы освободить место для изменения требований приложения, в протоколе предусмотрен другой режим связи, называемый режимом пакетной передачи. В этом режиме подчиненные устройства могут отправлять один фрагмент информации непрерывно, без необходимости повторных запросов от ведущего. Этот режим обеспечивает более высокую скорость связи до 3-4 обновлений в секунду и обычно используется в сценариях, где требуется более одного устройства HART для прослушивания связи из цикла HART.

Для обеспечения внешнего мониторинга, необходимого для большинства промышленных приложений, оба режима связи поддерживают до двух мастеров, определенных как основной и дополнительный. Основной ведущий, как показано на рисунке выше, обычно является основной системой управления / мониторинга, в то время как вторичный ведущий обычно является устройством, подобным портативным терминалам типа HART-коммуникатор, который подключается к контуру HART только в течение короткого периода времени.

WirelessHART

Протокол HART развивался на протяжении многих лет с развитием технологий и повышением сложности вариантов использования. Одним из последних продуктов его эволюции является новая технология WirelessHART, которая предлагает совершенно новые возможности с беспроводной передачей информации по принципу HART.

Это первый стандартизированный (МЭК 62591) протокол беспроводной связи в области автоматизации процессов. В отличие от обычного протокола HART, на данном этапе он поддерживает связь только по цифровому сигналу, поскольку аналоговая связь не обеспечивается, так как не используется соединительный кабель.

В настоящее время существует два различных решения WirelessHART, в том числе: адаптер WirelessHART для улучшения существующих устройств HART и приемопередатчик WirelessHART с автономным питанием.

WirelessHART может использоваться в рамках существующих проводных приборов для сбора огромного количества информации, а также обеспечивает экономичный, простой и надежный способ развертывания новых точек измерения и контроля без затрат на проводку.

Источник

Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?

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.

Рис. 1. Модуляция со сдвигом частоты (FSK)

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.

Рис. 2. Ток 4…20 мА и информация HART

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:

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».

Источник

HART-протокол

Содержание

Общие сведения

Преимущества

Недостатки

Описание протокола

Физический уровень

Wired HART

HART протокол использует метод частотного сдвига для наложения цифровой связи на токовый сигнал 4—20 мА, идущий по цепи, соединяющей центральную систему с первичными датчиками. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты (1200 Гц и 2200 Гц соответственно).

WirelessHART

Расширение стандарта, основанное на стандарте передачи данных по беспроводным сетям IEEE 802.15.4-2006 и использующее мультиплексирование с разделением по времени.

HART over IP

TCP/IP транспорт расширяет число применимых физических уровней до тех, которые поддерживают TCP/IP коммуникацию. Возможные реализации: Ethernet (802.3), Wi-Fi (802.11b/g) или RS-232 используя PPP.

Формат фрейма

Команды

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «HART-протокол» в других словарях:

PPP (сетевой протокол) — У этого термина существуют и другие значения, см. PPP. PPP (англ. Point to Point Protocol) двухточечный протокол канального уровня (Data Link) сетевой модели OSI. Обычно используется для установления прямой связи между двумя узлами сети,… … Википедия

Infrared Data Association — Внешний USB модуль инфракрасного порта … Википедия

SLIP — (Serial Line Internet Protocol) устаревший сетевой протокол канального уровня эталонной сетевой модели OSI для доступа к сетям стека TCP/IP через низкоскоростные линии связи путём простой инкапсуляции IP пакетов. Используются коммутируемые… … Википедия

Modbus — Modbus открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре «клиент сервер». Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные … Википедия

LIN — (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

DMX-512 — 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 — 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

PROFIBUS FMS — 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 — Ихэтуаньское восстание … Википедия

Договор об охране художественных и научных учреждений и исторических памятников — 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

Источник

HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА

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:

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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.

Дополнительные сведения о HART протоколе можно найти в энциклопедии АСУТП.

Источник

Как работает протокол HART?

«HART» – это аббревиатура термина «Highway Addressable Remote Transducer» (дистанционно управляемый измерительный преобразователь, адресуемый через магистраль). Протокол HART использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотной манипуляции (FSK) для наложения сигнала цифровой связи на токовый сигнал 4-20 мА на нижнем уровне.

Рис. 1. Кодирование методом частотной манипуляции (FSK)

Это обеспечивает дуплексную полевую связь и позволяет передавать дополнительную информацию, выходящую за рамки обычных переменных технологического процесса, как на интеллектуальное полевое устройство, так и с него. Протокол HART обеспечивает передачу данных со скоростью 1200 бит/с без прерывания сигнала 4-20 мА и позволяет программе хост-системы (master-устройство) получать два и более обновлений цифрового сигнала от интеллектуального полевого устройства в секунду. Поскольку цифровой сигнал частотного сдвига имеет непрерывную фазу, интерференции с сигналом 4-20 мА не происходит.
Технология HART использует протокол «master/slave», построенный по принципу «ведущий-ведомый», при котором интеллектуальное полевое slave-устройство только отвечает на запросы главного master-устройства. Протокол HART может использоваться в различных режимах, например, в монодропном или мультидропном режиме для передачи данных как на интеллектуальные полевые устройства и центральные системы управления или контроля, так и от них.

Связь по протоколу HART осуществляется между двумя устройствами с поддержкой технологии HART, обычно представляющими собой интеллектуальное полевое устройство и систему управления или контроля. Организация связи осуществляется с использованием стандартных контрольных проводов и в соответствии со стандартным порядком электромонтажа и концевой заделки.

Протокол HART обеспечивает два канала одновременной передачи данных: передачи аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Сигнал 4-20 мА передает значение первичного измерения (в случае полевого устройства), используя токовый контур 4-20 мА – самый быстрый и надежный отраслевой стандарт. Дополнительная информация об устройстве передается с помощью цифрового сигнала, который накладывается на аналоговый сигнал.

Цифровой сигнал содержит информацию, поступающую с устройства, включая информацию о состоянии устройства, данные диагностического контроля, дополнительные измеренные или рассчитанные значения и т.п. В совокупности оба этих коммуникационных канала представляют собой недорогое и очень надежное комплексное решение по организации линии связи в полевых условиях, которая проста в использовании и конфигурировании.

Рис. 2. Два коммуникационных канала

Протокол HART предусматривает возможность использования до двух master-устройств (первичного и вторичного). Это позволяет использовать такие вторичные master-устройства как внешнее портативное устройство управления без создания помех для передачи информации на первичное master-устройство (система управления или контроля) и получения данных от него.

Рис. 3. Первичное и вторичное master-устройства

Протокол HART допускает все цифровые виды связи с полевыми устройствами либо в монодропной, либо в мультидропной конфигурации сети:

Рис. 4. Монодропная конфигурация

Мультидропная конфигурация
Существует также опциональный «пакетный» режим передачи данных, при котором одиночное slave-устройство может непрерывно передавать стандартное ответное HART сообщение. В данном опциональном пакетном режиме передачи данных вероятна более высокая частота обновления, при этом его использование обычно ограничивается монодропной конфигурацией.

Рис. 5. Мультидропная конфигурация

\

41. Показатели безотказной работы. Вероятность безотказной работы систем автоматизации. SIL.Контроль качества.

Источник