Что такое протокол HART и как он работает


Преимущества взаимодействия двух машин (или компонентов в них) друг с другом были очевидны для экспертов в области промышленной автоматизации и управления еще задолго до того, как Интернет вещей (IoT) стал мейнстримом. Значения датчика температуры в сердце коленчатого вала, отправляющего измерения для управления реле привода двигателя и т. д., необходимо было считывать, и одним из протоколов связи, используемых для достижения этой цели, был протокол HART.

Режим многоточечной сети HART

Поскольку по всему миру установлено более 30 миллионов устройств на его основе, протокол HART считается самым популярным протоколом в промышленной автоматизации , и сегодняшняя статья предоставит обзор того, что делает его таким особенным. Мы рассмотрим его функции, приложения и его обновленные версии, такие как WirelessHART.

Обзор протокола HART

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer - гибридный открытый протокол аналоговой+цифровой промышленной автоматизации) — один из самых популярных открытых протоколов связи, используемых в промышленной автоматизации для отправки и получения цифровой информации через аналоговую проводку между интеллектуальными устройствами и системами управления. Этот протокол является развитием протокола последовательной связи RS485, который также широко используется в промышленности.

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

Результатом вышесказанного является создание двух одновременных каналов связи: аналогового сигнала 4–20 мА и цифрового сигнала. Именно эта комбинация объясняет, почему протокол называется гибридным протоколом. Типичные приложения, такие как контрольно-измерительные приборы, могут использовать сигнал 4–20 мА для отправки основного измеренного значения и использовать наложенный цифровой сигнал для отправки информации.

Поддержка устройств с током 4–20 мА означала, что компании могли продолжать использовать устаревшее оборудование. Это, наряду с тем, что протокол стал «открытым», привело к высокому уровню внедрения протокола, пока он не стал де-факто стандартом в отрасли.

Принцип работы протокола HART

HART-коммуникация 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, а цифровые сигналы — путем наложения сигнала (как сигнала переменного тока) на аналоговый сигнал 4–20 мА, используя частотную манипуляцию Bell 202 (FSK - Frequency Shift Keying) стандарт.

Процедура FSK включает наложение синусоидальных сигналов 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 будет подвержен влиянию цифрового сигнала.

Режимы конфигурации сети в протоколе HART

Чтобы удовлетворить потребности различных приложений, устройства по протоколу HART можно настроить для работы в двух основных режимах;

  1. Режим «точка-точка».
  2. Многоточечный режим.

1. Режим сети «точка-точка»

В режиме «точка-точка» цифровые сигналы накладываются на контурный ток 4–20 мА таким образом, что ток 4–20 мА и цифровой сигнал могут использоваться для передачи сообщений между ведущим и ведомым устройствами. Это представляет собой типичное применение протокола, где вторичные переменные и данные, которые можно использовать для мониторинга, обслуживания и диагностики, обмениваются посредством цифровых сигналов, в то время как управляющие сигналы передаются по аналоговой половине протокола. Иллюстрация конфигурации сети «точка-точка» представлена ​​на изображении ниже.

Режим сети «точка-точка» в протоколе HART

2. Режим многоточечной сети

Режим конфигурации многоточечной сети позволяет подключать несколько устройств к одной и той же паре проводов аналогично протоколам на основе адресов, таким как I2С. Связь в многоабонентском режиме полностью цифровая, поскольку связь через аналоговый ток контура отключен, то 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 расположены на большом расстоянии, например, на нефтебазах и трубопроводах. Конфигурация многоточечной сети показана на изображении ниже.

Режим многоточечной сети HART

Режимы связи в протоколе HART

Как правило, для связи по протоколу HART одно устройство в сети, обычно распределенная система управления или ПЛК (программируемый логический контроллер), должно быть назначено главным/ведущим, тогда как другие устройства, обычно полевые устройства, такие как датчики или исполнительные механизмы, назначаются ведомыми.

Однако способ связи ведомых устройств с ведущим зависит от режима связи, на который настроена сеть. Сеть устройств, совместимых с протоколом HART, может быть настроена для работы в двух режимах, а именно:

  1. Режим связи запрос-ответ.
  2. Пакетный режим.

1. Режим связи запрос-ответ

В режиме связи «запрос-ответ» подчиненные устройства передают информацию только тогда, когда запрос выдается ведущим устройством. Хотя этот режим имеет свои недостатки, особенно низкую скорость передачи данных (2-3 обновления данных в секунду), он помогает сохранить протокол простым, эффективным и простым в реализации.

2. Пакетный режим

Чтобы освободить место для изменений в требованиях приложений, в протоколе предусмотрен еще один режим связи, называемый пакетным режимом. В этом режиме ведомые устройства могут непрерывно отправлять один фрагмент информации без необходимости повторных запросов от ведущего устройства. 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 связи из контура HART.

Пакетный режим в протоколе HART

Чтобы обеспечить внешний мониторинг, необходимый для большинства промышленных приложений, оба режима связи поддерживают до двух главных устройств, определяемых как первичное и вторичное. Первичное ведущее устройство, как показано на изображении выше, обычно является основной системой управления/мониторинга, тогда как вторичное ведущее устройство обычно представляет собой устройство типа портативных терминалов, также известное как HART-коммуникатор, которое подключается к контуру HART только на короткий период времени.

Преимущества HART

Некоторые из преимуществ протокола HART перед другими протоколами этого класса включают в себя:

1. Двусторонняя связь

Например, использование аналогового сигнала 4–20 мА позволяет передавать информацию только в одном направлении (от передатчика к приемнику). Благодаря протоколу 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 дополнительных данных вместе с переменной процесса.

Некоторые примеры дополнительной информации, которую можно получить от устройств на базе HART, включают:

  1. Статус устройства и диагностические оповещения.
  2. Переменные процесса и единицы измерения.
  3. Ток контура.
  4. Основные параметры конфигурации.
  5. Производитель и бирка устройства.

Используя комбинацию этой дополнительной информации, устройства HART могут самостоятельно сообщать ведущему/хостовому устройству о проблемах с их конфигурацией или работой. 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 входные данные от нескольких датчиков.

4. Независимость поставщика

Все, что связано с HART, было передано компанией Emerson в HART Communications Foundation, поэтому стандарты открыты и не привязаны к одному поставщику. Это означает, что нет опасности попасть в рамки ограниченных «стандартов», специфичных для конкретного поставщика или региональных стандартов.

5. Широта предложения

HART в настоящее время считается наиболее широко поддерживаемым протоколом в перерабатывающей промышленности во всем мире. Он настолько популярен, что вероятность того, что промышленное устройство будет HART-совместимым, равна почти 1.

6. Совместимость

HART-совместимые устройства и хост-системы могут работать вместе независимо от производителя, модели и других проблем совместимости/взаимодействия, от которых страдают сети. Даже хост-устройства, которые не предназначены для обработки цифровой информации от устройства HART, все равно будут иметь некоторый уровень совместимости при обмене данными через аналоговый сигнал 4–20 мА.

Беспроводной протокол HART

Протокол HART развивался на протяжении многих лет по мере развития технологий и усложнения 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 только связь через цифровой сигнал, поскольку аналоговая связь не обеспечивается в связи с тем что не используется соединительный кабель.

В настоящее время существует два различных решения WirelessHART, в том числе;

  1. Адаптер WirelessHART для улучшения существующих устройств HART.
  2. Передатчик WirelessHART с автономным питанием.

WirelessHART можно использовать на существующих проводных приборах для сбора огромного количества информации, которая ранее хранилась в приборе, а также обеспечивает экономичный, простой и надежный способ развертывания новых точек измерения и контроля без затрат на проводку.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
65 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *