Введение в HART - протокол связи удаленного датчика с адресацией по шоссе

Преимущества взаимодействия двух машин (или компонентов внутри них) друг с другом были очевидны для специалистов по промышленной автоматизации и управлению задолго до того, как Интернет вещей (IoT) стал массовым. Значения в датчике температуры в основе коленчатого вала, отправляющего измерения для управления реле привода двигателя и т. Д., Были ясными, и одним из протоколов связи, используемых для этого, был протокол HART.

Протокол HART считается самым популярным протоколом в промышленной автоматизации, на его основе установлено более 30 миллионов устройств, установленных по всему миру, и в сегодняшней статье мы расскажем, что делает его таким особенным. Мы рассмотрим его функции, приложения и обновленные версии, такие как WirelessHART.

Обзор

Протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) - один из самых популярных протоколов открытой связи, 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 также широко используется в промышленности.

Он был разработан Emerson в 1980-х годах как собственный протокол связи для устранения дефектов в существующем протоколе связи 4–20 мА, который мог передавать только один параметр или измеренное значение. С помощью HART усилия по промышленной автоматизации могут обеспечить двунаправленную связь, которая устранит недостатки 4–20 мА, но при этом сохранит свою инфраструктуру, поскольку протокол HART может отправлять цифровые сигналы, накладывая их на аналоговые сигналы без искажений или помех.

Результатом вышеизложенного является создание двух одновременных каналов связи: аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Эта комбинация является причиной того, что протокол называется гибридным протоколом. Типичные приложения, такие как измерительные приборы, могут использовать сигнал 4-20 мА для отправки первичного измеренного значения и использовать наложенный цифровой сигнал для отправки информации.

Поддержка устройств на базе 4-20 мА означала, что компании могли продолжать использовать устаревшее оборудование. Это, наряду с тем, что протокол стал «открытым», повысил уровень принятия протокола, пока он не стал фактическим стандартом в отрасли.

Работа протокола связи HART

HART Обмен данными происходит между двумя устройствами с поддержкой HART, обычно между интеллектуальным полевым устройством и системой управления или мониторинга. Как описано ранее, устройства, основанные на этом протоколе, передают аналоговый сигнал с использованием существующего подхода 4-20 мА и цифровые сигналы путем наложения сигнала (в виде сигнала переменного тока) на аналоговый сигнал 4-20 мА с использованием манипуляции со сдвигом частоты Bell 202 (ФСК) стандарт.

Процедура FSK включает наложение синусоид двух частот, обычно 1200 Гц и 2200 Гц, которые представляют биты (1 и 0 соответственно) отправляемых данных. Использование FSK гарантирует, что среднее значение двух частот всегда равно нулю, гарантируя, что аналоговый сигнал не зависит от цифрового сигнала.

Режимы конфигурации сети

Для удовлетворения потребностей различных приложений устройства по протоколу HART могут быть настроены для работы в двух основных режимах;

Двухточечный режим
Многоточечный режим

1. Режим сети "точка-точка"

В двухточечном режиме цифровые сигналы накладываются на контурный ток 4–20 мА таким образом, что как ток 4–20 мА, так и цифровой сигнал могут использоваться для передачи сообщений между ведущим и ведомым. Это типичное применение протокола с вторичными переменными и данными, которые могут использоваться для целей мониторинга, обслуживания и диагностики, обмен которыми осуществляется по цифровым сигналам, а управляющие сигналы передаются по аналоговой половине протокола. Иллюстрация конфигурации сети точка-точка представлена на изображении ниже.

2. Многоточечный сетевой режим

Режим конфигурации многоточечной сети позволяет нескольким устройствам подключаться к одной паре проводов аналогично протоколам на основе адресов, таким как i2c. Связь в многоточечном режиме полностью цифровая, поскольку связь по аналоговому контуру тока отключена, поскольку ток через каждое из устройств фиксируется на минимальном значении, достаточном для работы устройства (обычно 4 мА). Конфигурации многоточечной сети обычно используются в приложениях диспетчерского управления, которые широко разнесены, например, в резервуарных парках и трубопроводах. Конфигурация сети многоточечной показано на изображение ниже.

Режимы связи

Как правило, для обмена данными по протоколу HART одно устройство в сети, обычно распределенная система управления или ПЛК, должно быть назначено как ведущее, в то время как другие (и), обычно полевые устройства, такие как датчики или исполнительные механизмы, назначаются как ведомые.

Однако способ, которым подчиненные устройства обмениваются данными с главным, зависит от режима связи, на который настроена сеть. Сеть устройств, совместимых с протоколом HART, может быть настроена для связи в двух режимах, а именно:

Режим связи запрос-ответ
В режиме серийной съемки

1. Режим связи "запрос-ответ"

В режиме связи «запрос-ответ» ведомые устройства передают информацию только тогда, когда ведущее устройство отправляет запрос. Хотя у этого режима есть свои недостатки, особенно низкая скорость передачи данных (2–3 обновления данных в секунду), он помогает поддерживать простой, эффективный и простой в реализации протокол.

2. Пакетный режим

Чтобы освободить место для изменения требований приложений, в протоколе есть еще один режим связи, называемый «Пакетный». В этом режиме ведомые устройства могут отправлять единичный фрагмент информации непрерывно, без необходимости повторных запросов от ведущего. Этот режим обеспечивает более высокую скорость передачи данных до 3-4 обновлений в секунду и обычно используется в сценариях, где требуется более одного устройства HART для прослушивания сообщений от контура HART.

Для обеспечения внешнего мониторинга, необходимого для большинства промышленных приложений, оба режима связи поддерживают до двух ведущих, определяемых как первичный и вторичный. Первичный мастер, как показано на изображении выше, обычно является основной системой управления / мониторинга, в то время как вторичный мастер обычно представляет собой устройство, подобное портативным терминалам, известному как коммуникатор HART, которое подключается к контуру HART только на короткое время.

Льготы

Некоторые из преимуществ протокола HART по сравнению с другими протоколами этого класса:

1. Двусторонняя связь

Например, использование аналогового сигнала 4–20 мА позволяет передавать информацию только в одном направлении (от передатчика к приемнику). С помощью связи HART данные могут передаваться в обоих направлениях.

2. Новые типы информации

Традиционные каналы связи, такие как 4–20 мА, позволяют передавать только одну переменную процесса без возможности проверки, но с помощью HART вы можете получить до 40 дополнительной информации вместе с переменной процесса.

Некоторые примеры дополнительной информации, которую можно почерпнуть из устройств на основе HART, включают:

Состояние устройства и диагностические предупреждения
Переменные процесса и единицы измерения
Ток контура и% диапазона
Основные параметры конфигурации
Производитель и тег устройства

Используя комбинацию этой дополнительной информации, устройства HART могут самостоятельно сообщать о проблемах с их конфигурацией или операциями главному / хост-устройству. Это помогает снизить потребность в регулярных проверках и может быть очень полезно для профилактического обслуживания.

3. Многопараметрические устройства

В цифровом режиме одна пара проводов может обрабатывать несколько переменных. Например, один передатчик может обрабатывать входы от нескольких датчиков.

4. Независимость от поставщика

Все, что связано с HART, было передано Emerson HART Communications Foundation, поскольку стандарты являются открытыми и не зависят от одного поставщика. Это означает, что нет опасности быть привязанным к ограниченным «стандартам» конкретного производителя или региона.

5. Широта предложения

В настоящее время HART считается наиболее широко поддерживаемым протоколом для обрабатывающей промышленности во всем мире. Он настолько популярен, что вероятность того, что промышленное устройство будет HART-совместимым, составляет почти 1.

6. Функциональная совместимость

HART-совместимые устройства и хост-системы могут работать вместе независимо от производителя, модели и других проблем совместимости / взаимодействия, которые мешают работе сетей. Даже хост-устройства, которые не были предназначены для обработки цифровой информации от устройства HART, все равно будут иметь некоторый уровень взаимодействия с коммуникациями через аналоговый сигнал 4-20 мА.

WirelessHART

Протокол HART развивался на протяжении многих лет с развитием технологий и повышением сложности вариантов использования. Одним из последних продуктов ее развития является новая технология под названием WirelessHART, которая предлагает совершенно новые возможности беспроводной передачи информации HART.

Это первый стандартизированный (IEC62591) 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 предусмотрена, поскольку не используется соединительный кабель.

В настоящее время существует два различных решения WirelessHART:

Адаптер WirelessHART для расширения существующих устройств HART
Передатчик WirelessHART с автономным питанием.

WirelessHART можно использовать с существующими проводными приборами для сбора огромного количества информации, которая ранее хранилась в приборе, а также обеспечивает экономичный, простой и надежный способ развертывания новых точек измерения и управления без затрат на проводку.