Сетевой интерфейс локальной автоматики hart

HART (англ. Highway Addressable Remote Transducer) — набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей.

Предназначен для подключения промышленных датчиков. Включают проводной и беспроводной физические уровни, а также протокол обмена. Проводной вариант позволяет передавать цифровые данные и питание по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4-20 мА.

Стандарт для передачи аналоговых сигналов значениями тока в диапазоне 4-20 мА известен уже несколько десятков лет и широко используется при создании систем АСУ ТП, в химической индустрии, теплоэнергетике, в пищевой и многих других отраслях промышленности. Традиционно для измерения различных физических величин (давления, объема, температуры и т.д.) предлагается множество приборов с токовым выходом 4-20 мА.

Изделия, служащие для связи с HART-устройствами

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,VisualInstrument,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, поддерживающимиHART-протокол. Мультиплексор обеспечивает преобразование информационного сигналаHARTв цифровой сигнал интерфейсаRS-485 илиRS-232, при этом аналоговый сигнал 4÷20 мА токовой петли может использоваться системой регистрации и управления.

Два режима работы датчиков

Эти два режима работы поддерживают обмен данными по HART-протоколу:

• •    Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-

  коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

• •    В многоточечном режиме датчик передаёт и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства – 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процессах считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, а обращение к каждому идёт по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключённые к линии, и может работать с любым из них.

Три группы команд, реализованных в HART-протоколе

• •    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.

Принцип работы

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 BELL202 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.1).

1200 Гц              2200 Гц

"1"                -у

Рис.1. Форма сигнала передачи

Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HARTпротокола 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.

• 2.5. Уровни коммуникационного сигнала

  Сигнал, переданный главным устройством	min400 мВ;max600 мВ
  Сигнал, переданный подчиненным устройством	min0,8 мА;max1,2 мА
  Чувствительность приемника (должен правильно принимать)	от 120 мВ до 2,0 В
  Порог приемника (должен игнорировать)	от 0 мВ до 80 мВ

• 2.6. Стандартная схема соединения двухпроводногопередатчика

  ----- 2-Е А ^ПОК IF LU ЛЯ Э d              ^

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.

Рис2.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 АиВ, либо через сопротивление нагрузки в точкахBиC, в этом случае цепь замыкается через источник питания.