3.5.2. Hart-протокол
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer – Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь), разработан фирмой Fisher Rosemount Inc.
Скорость передачи 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. 3.34).
Рис. 3.34. Форма сигнала передачи
Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HART протокола соответствует физическому уровню OSI модели протоколов.
Среднее значение синусоидального сигнала за период 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, применяется 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 табл. 3.20. Все значения даны между пиками сигнала (двойная амплитуда).
Таблица 3.20. Уровни коммуникационного сигнала
Сигнал, переданный главным устройством |
min 400 мВ; max 600 мВ |
Сигнал, переданный подчиненным устройством |
min 0,8 мА; max 1,2 мА |
Чувствительность приемника (должен правильно принимать) |
от 120 мВ до 2,0 В |
Порог приемника (должен игнорировать) |
от 0 мВ до 80 мВ |
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. 3.35.
Рис. 3.35. 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. 3.36.
Рис. 3.36. Метран-280 в многоточечном режиме
На рисунке 3.36 обозначено: БП – блок питания; PV1 – HART-модем; PV2 – 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:
HART-коммуникатор – портативное устройство, предназначенное для считывания информации, удаленной настройки и конфигурирования интеллектуальных полевых приборов;
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 устройств.
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.
3.5.3. 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. 3.21.
Таблица 3.21. Характеристики AS-интерфейса
Характеристика |
Значение |
Общая длина сегмента |
|
без использования повторителей, м |
100 |
с использованием повторителей, м |
300 |
Максимальное время цикла, мс |
5÷10 |
Скорость передачи, кбод |
до 167 |
Максимальное число Slave-устройств, подключаемых Master-узлу |
62 |
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. 5.27.
Рис. 5.27. 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.