Что такое протокол HART?

30 Jan 2023 в 20:45
Большинство интеллектуальных полевых устройств, установленных сегодня по всему миру, поддерживают протокол HART. Но некоторым новичкам в области автоматизации может понадобиться освежить в памяти эту мощную технологию.
Проще говоря, протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) - это глобальный стандарт для отправки и получения цифровой информации по аналоговым проводам между интеллектуальными устройствами и системами управления, мониторинга или портативными коммуникаторами.
Более конкретно, HART - это двунаправленный протокол связи, который обеспечивает доступ к данным между интеллектуальными полевыми приборами и хост-системами (DCS/PLC или Handheld Communicator). В качестве хоста может выступать любое программное приложение - от ручного устройства или ноутбука технического специалиста до системы управления технологическим процессом, управления активами, безопасности или другой системы предприятия, использующей любую платформу управления.

Технология HART
Технология HART проста в использовании и очень надежна при использовании для ввода в эксплуатацию и калибровки интеллектуальных устройств, а также для непрерывной онлайн-диагностики.
Существует несколько причин, по которым хост-система должна взаимодействовать с интеллектуальными устройствами. К ним относятся:
Конфигурация или изменение конфигурации устройства
диагностика устройства
поиск и устранение неисправностей устройства
Чтение дополнительных значений измерений, предоставляемых устройством
Здоровье и состояние устройства
Многое другое

Годы успешного использования этих преимуществ объясняют, почему технология HART является крупнейшим из всех коммуникационных протоколов, установленным в более чем 30 миллионах устройств по всему миру.
Если вы когда-нибудь пользовались стационарным телефоном и обращали внимание на дисплей Caller ID, чтобы узнать, кто звонит, вы уже знаете половину того, что делает протокол HART - он сообщает, "кто" звонит. В сети промышленной автоматизации "кто" - это микропроцессорное интеллектуальное полевое устройство. Помимо того, что протокол HART позволяет таким интеллектуальным полевым устройствам "звонить домой", он позволяет хост-системе отправлять данные на интеллектуальное устройство.

HART появился в конце 1980-х годов на основе той же технологии, которая принесла идентификатор вызывающего абонента в аналоговую телефонию. Она постоянно развивалась, вплоть до того, что сейчас продукты автоматизации поставляются со встроенной беспроводной связью HART.

Принцип работы HART
"HART - это аббревиатура от Highway Addressable Remote Transducer. Протокол HART использует стандарт Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) для наложения цифровых сигналов связи на низком уровне поверх сигналов 4-20 мА.
Коммуникационный протокол HART основан на стандарте телефонной связи Bell 202 и работает по принципу частотно-сдвиговой манипуляции (FSK). Цифровой сигнал состоит из двух частот - 1,200 Гц и 2,200 Гц, представляющих биты 1 и 0 соответственно. Синусоидальные волны этих двух частот накладываются на кабели аналогового сигнала постоянного тока (dc) для обеспечения одновременной аналоговой и цифровой связи. Поскольку среднее значение сигнала FSK всегда равно нулю, аналоговый сигнал 4-20 мА не подвержен влиянию. Время отклика цифрового сигнала связи составляет примерно 2-3 обновления данных в секунду без прерывания аналогового сигнала. Для связи требуется минимальный импеданс шлейфа 230 Вт.
Это позволяет осуществлять двустороннюю связь в полевых условиях и дает возможность передавать на/из интеллектуального полевого прибора дополнительную информацию, выходящую за рамки обычных переменных процесса. Протокол HART передает данные со скоростью 1200 бит/с без прерывания сигнала 4-20 мА и позволяет хост-приложению (ведущему) получать два или более цифровых обновлений в секунду от интеллектуального полевого устройства. Поскольку цифровой сигнал FSK является непрерывным по фазе, нет никаких помех для сигнала 4-20 мА.
Технология HART представляет собой протокол ведущий/ведомый, что означает, что интеллектуальное полевое (ведомое) устройство отвечает только тогда, когда к нему обращается ведущий. Протокол HART может использоваться в различных режимах, таких как "точка-точка" или многоточка, для передачи информации от/к интеллектуальным полевым приборам и центральным системам управления или мониторинга.
Связь HART осуществляется между двумя устройствами с поддержкой HART, как правило, интеллектуальным полевым прибором и системой управления или мониторинга. Связь осуществляется с помощью стандартных проводов класса КИП и с использованием стандартных методов подключения и заделки.
Протокол HART обеспечивает два одновременных канала связи: аналоговый сигнал 4-20 мА и цифровой сигнал. Сигнал 4-20 мА передает первичное измеренное значение (в случае полевого прибора) с помощью токовой петли 4-20 мА - самого быстрого и надежного промышленного стандарта. Дополнительная информация об устройстве передается с помощью цифрового сигнала, который накладывается на аналоговый сигнал.
Цифровой сигнал содержит информацию от устройства, включая статус устройства, диагностику, дополнительные измеренные или рассчитанные значения и т.д. Вместе эти два канала связи обеспечивают недорогое и очень надежное комплексное решение для полевой связи, которое легко использовать и конфигурировать.

Сети HART
Устройства HART могут работать в одной из двух сетевых конфигураций - точка-точка или многоточка.

ТОЧКА-ТОЧКА
В режиме "точка-точка" традиционный сигнал 4-20 мА используется для передачи одной переменной процесса, а дополнительные переменные процесса, параметры конфигурации и другие данные устройства передаются в цифровом виде по протоколу HART. Аналоговый сигнал 4-20 мА не подвержен влиянию сигнала HART и может использоваться для управления обычным способом. Цифровой сигнал связи HART дает доступ к вторичным переменным и другим данным, которые могут быть использованы для эксплуатации, ввода в эксплуатацию, технического обслуживания и диагностики.

HART Два канала связи
Протокол HART предусматривает наличие до двух ведущих устройств (первичного и вторичного). Это позволяет использовать вторичные ведущие устройства, такие как портативные коммуникаторы, без помех для связи с/от первичного ведущего устройства, т.е. системы управления/контроля.

Первичные и вторичные ведущие устройства HART
Протокол HART позволяет осуществлять любую цифровую связь с полевыми устройствами в конфигурациях "точка-точка" или многоточечной сети:
HART Связь "точка-точка
Многоточечная связь HART с двумя ведущими устройствами

Многоточечная конфигурация
Существует также дополнительный режим "burst", в котором одно ведомое устройство может непрерывно передавать стандартное ответное сообщение HART. В этом дополнительном режиме пакетной передачи данных возможна более высокая скорость обновления, и его использование обычно ограничивается конфигурацией "точка-точка".
Многоточечный режим работы требует только одной пары проводов и, если применимо, защитных барьеров и дополнительного источника питания для 15 полевых устройств. Все значения процесса передаются в цифровом виде. В многоточечном режиме все адреса опроса полевых устройств >0, а ток через каждое устройство фиксируется на минимальном значении (обычно 4 мА).


Режимы связи
1. Режим ведущий-ведомый
HART - это протокол связи "ведущий-ведомый", что означает, что при нормальной работе каждая связь с ведомым (полевым устройством) инициируется ведущим устройством связи. К каждому контуру HART могут подключаться два ведущих устройства. Первичным ведущим устройством обычно является распределенная система управления (DCS), программируемый логический контроллер (PLC) или персональный компьютер (PC). Вторичный мастер может быть портативным терминалом или другим ПК. К ведомым устройствам относятся передатчики, исполнительные механизмы и контроллеры, которые отвечают на команды первичного или вторичного ведущего устройства.
2. Пакетный режим
Некоторые устройства HART поддерживают дополнительный режим пакетной передачи данных. Режим серийной передачи данных позволяет ускорить обмен данными (3-4 обновления данных в секунду). В режиме серийной передачи ведущий дает команду ведомому устройству непрерывно передавать стандартное ответное сообщение HART (например, значение переменной процесса). Ведущее устройство получает сообщение с повышенной скоростью до тех пор, пока не даст команду ведомому устройству прекратить пакетную передачу.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА
Некоторые хост-приложения HART используют описания устройств (DD) для получения информации о переменных и функциях, содержащихся в полевом устройстве HART. DD включает в себя всю информацию, необходимую приложению-хозяину для полноценного взаимодействия с полевым устройством. Для написания DD используется язык описания устройств HART (DDL), который объединяет всю информацию, необходимую хост-приложению, в единый структурированный файл. DD определяет, какие общепринятые команды поддерживаются, а также формат и структуру всех команд, специфичных для конкретного устройства. DD для полевого устройства HART примерно эквивалентен драйверу принтера для компьютера. DD устраняют необходимость для поставщиков хост-устройств разрабатывать и поддерживать пользовательские интерфейсы и драйверы.
DD дает представление обо всех параметрах и функциях устройства на стандартизированном языке. Поставщики HART имеют возможность поставлять DD для своих полевых продуктов HART. Если они решают поставлять его, DD будет содержать информацию для хост-приложения с поддержкой DD для чтения и записи данных в соответствии с процедурами каждого устройства.
Исходные файлы DD для устройств HART похожи на файлы, написанные на языке программирования C. Файлы DD передаются в HCF для регистрации в библиотеке DD HCF. Каждый представленный DD-файл проходит проверку качества для обеспечения соответствия спецификации, отсутствия конфликтов с уже зарегистрированными DD-файлами, а также для проверки работы со стандартными HART-устройствами. Библиотека ПД HCF является центральным местом для управления и распространения всех ПД HART для облегчения использования в хост-приложениях, таких как ПК и портативные терминалы.


Преимущества использования HART
Инженерам, работающим в среде аналоговой автоматизации, больше не нужно произносить слова "если бы", например, "если бы я только мог получить информацию об устройстве, не выходя в поле" или "если бы я только мог получить информацию о конфигурации этого преобразователя давления в моем ПК".
Пользователи по всему миру, которые оценили преимущества связи HART, знают, что они могут быстро и легко получить информацию об устройствах в полевых условиях при использовании портативных устройств для тестирования, калибровки и портативных компьютеров с поддержкой HART. На самом деле, тестирование, диагностика и конфигурирование устройств еще никогда не было таким простым!
Однако многие еще не осознали основные преимущества технологии HART, которые возникают при постоянном подключении к системам управления активами и/или системам контроля в режиме реального времени.

Технология HART может помочь вам:
Использовать возможности полного набора данных интеллектуальных устройств для улучшения эксплуатационных характеристик.
Получить ранние предупреждения об отклонениях в работе устройства, продукта или процесса.
Ускорить время поиска неисправностей между выявлением и решением проблем.
Постоянная проверка целостности контуров и стратегий систем управления/автоматизации.
Повышение производительности активов и эксплуатационной готовности системы.
Повышение эксплуатационной готовности оборудования

Интеграция устройств и систем для обнаружения ранее необнаруживаемых проблем.
Обнаружение проблем с подключением устройств и/или процессов в режиме реального времени.
Минимизируйте влияние отклонений, получая новые, ранние предупреждения.
Избегайте высоких затрат на незапланированные остановки или нарушения технологического процесса.
Снижение затрат на техническое обслуживание

Быстрая проверка и подтверждение конфигурации контура управления и устройства.
Используйте удаленную диагностику для сокращения ненужных проверок на месте.
Сбор данных о тенденциях производительности для предиктивной диагностики технического обслуживания.
Сократите расходы на инвентаризацию запасных частей и управление устройствами.
Повышение соответствия нормативным требованиям

Обеспечивает автоматизированный учет данных о соответствии нормативным требованиям.
Облегчает автоматизированное тестирование защитного отключения.
Повышение уровня SIL/безопасности с помощью расширенной диагностики.
Используйте преимущества интеллектуальных многопараметрических устройств для более тщательной и точной отчетности.
Стандартные возможности технологии HART варьируются от простой совместимости с существующими аналоговыми сетями 4-20 мА до широкого выбора продукции:

Совместимость со стандартной проводкой 4-20 мА
Одновременная передача цифровых данных
Простота благодаря интуитивно понятным интерфейсам с меню
Снижение рисков благодаря высокоточному и надежному протоколу
Простота внедрения для максимальной эффективности затрат на начальном этапе.
Широкий выбор продукции с совместимыми устройствами и программными приложениями от большинства поставщиков средств автоматизации технологических процессов
Независимость от платформы для полной совместимости в средах с несколькими поставщиками


Спецификации протокола HART
Протокол HART был разработан в конце 1980-х годов и передан в Фонд HART в начале 1990-х годов. С тех пор он несколько раз обновлялся. При обновлении протокола он обновляется таким образом, чтобы обеспечить обратную совместимость с предыдущими версиями. Текущая версия протокола HART - ревизия 7.3. Символ "7" обозначает уровень основной ревизии, а "3" - уровень младшей ревизии.
Протокол HART реализует уровни 1, 2, 3, 4 и 7 7-слойной модели протоколов Open System Interconnection (OSI):
Физический уровень HART основан на стандарте Bell 202, использующем частотно-сдвиговую синхронизацию (FSK) для передачи данных со скоростью 1200 бит/с. Частота сигнала, представляющего значения битов 0 и 1, составляет 2200 и 1200 Гц соответственно. Этот сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4-20 мА на низком уровне, не создавая помех для аналогового сигнала.
Уровень связи данных HART определяет протокол "ведущий-ведомый" - при нормальном использовании полевое устройство отвечает только тогда, когда к нему обращаются. Может быть два ведущих устройства, например, система управления в качестве основного ведущего устройства и портативный коммуникатор HART в качестве вторичного ведущего устройства. Временные правила определяют, когда каждый ведущий может инициировать коммуникационную транзакцию. К одной многоточечной кабельной паре может быть подключено до 15 или более ведомых устройств.
Сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию, сквозную безопасность и транспортные услуги. Он управляет "сеансами" для сквозной связи с соответствующими устройствами.
Транспортный уровень: Уровень передачи данных обеспечивает успешную передачу данных от одного устройства к другому. Транспортный уровень может быть использован для обеспечения успешной связи между конечными устройствами.
Прикладной уровень определяет команды, ответы, типы данных и сообщения о состоянии, поддерживаемые протоколом. На Прикладном уровне общедоступные команды протокола делятся на четыре основные группы:
Универсальные команды - обеспечивают функции, которые должны быть реализованы во всех полевых устройствах.
Команды общей практики - обеспечивают функции, общие для многих, но не для всех полевых устройств
Команды, специфичные для конкретного устройства - обеспечивают функции, которые уникальны для конкретного полевого устройства и определяются производителем устройства.
Команды семейства устройств - предоставляют набор стандартизированных функций для приборов с определенными типами измерений, обеспечивая полный общий доступ без использования команд, специфичных для конкретного устройства.
Категория: КИПиА
Случайная статья: Про программирование PLC