Лекция 12. Тема 3.4 Технология HART

План

· Введение

· HART технология

· Топологии подключения

· Обмен данными по HART-протоколу

· Структура сообщения и процедура транзакции

· Форматы фреймов

· Виды носителей

Введение

Коммуникационный протокол HART Field Communications широко известен в мире, как промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4-20 мА по линии цифровой или интеллектуальной (smart) коммуникации.

HART протокол был разработан компанией Rosemount в 1990 г. В настоящее время HART протокол получил наибольшее распространение как средство коммуникации в АСУ ТП.

В отличие от других, полностью цифровых коммуникационных технологий для измерительных приборов, HART совместим с существующими аналоговыми системами. В существующих аналоговых системах 4-20 мА протокол HART обеспечивает многие преимущества, предлагаемые цифровыми протоколами fieldbus.

Улучшенные коммуникационные характеристики этой технологии отражены в названии протокола: HART расшифровывается, как Удаленно Адресуемый Приемопередатчик (Highway Addressable Remote Transducer).

Термин "интеллектуальные" для первичных устройств был введен для тех первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор. Обычно это добавляет новые функциональные возможности, которых не было в аналогичных устройствах без микропроцессора.

Например, интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости.

Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный расход и температуру – в весовой расход).

И наконец, интеллектуальный датчик позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Наряду с усовершенствованием работы устройств, дополнительные функциональные возможности могут сократить объем обработки сигналов системой управления и приводят к тому, что набор разных приборов заменяют приборами одной модели, что дает преимущество при изготовлении и инвестициях.

Для того чтобы заработали все эти дополнительные функции, интеллектуальному устройству обычно требуется ручной коммуникатор (панель настройки) для настройки и управления прибором.

Другой способ встраивать все это в прибор, что обычно гораздо дороже и, кроме того, неуместно для устанавливаемых на объекте устройствах. Однако это может подойти для более сложных приборов, монтируемых в стойке, таких как расходомеры, в этом случае местная настройка применяется в дополнении к удаленному конфигурированию.

Благодаря надежной, хорошо настроенной последовательной связи, прибор и коммуникатор могут быть разнесены на большое расстояние.

Эта связь осуществляется по тем же двум проводам, которые уже используются для соединения первичного прибора с системой управления в центральной комнате управления.

Интеллектуальные первичные устройства с HART протоколом позволяют аналоговым и цифровым сигналам сосуществовать в одной и той же паре проводов, не портя аналоговый сигнал.

HART технология

HART - протокол осуществляет двухсторонний цифровой обмен между smart приборами, не влияя на аналоговый сигнал 4-20мА.

Аналоговая переменная и питание передается по петле 4-20мА, дополнительная информация об измерениях, параметрах процесса, конфигурации прибора, калибровке и диагностике передается в цифровом формате HART по тому же проводу в то же время.

Для передачи цифровой информации HART протокол использует принцип частотной модуляции (FSK):

· логической «1» соответствует один полный период синусоиды 1200 Гц;

· логическому «0» два периода синусоиды 2200 Гц.

Эти сигналы соответствуют американскому стандарту для телефонии Bell-202 (рисунок 3.20).

Поскольку среднее значение частотного сигнала равно нулю, цифровая связь не влияет на токовый сигнал.

Рисунок 3.20 − Принцип частотной модуляции (FSK)

Цифровой и аналоговый сигнал передаются по одной паре проводов, путем простого наложения HART на токовую петлю. Схема, поясняющая работу приборов по HART - протоколу, представлена на рисунке 3.21.

HART FSK сигнал обеспечивает двухстороннюю цифровую коммуникацию и дает возможность считывания дополнительной токовой аналоговой информации от датчика.

HART - протокол осуществляет коммуникацию при скорости 1200 бит в секунду, не прерывая сигнала 4-20мА и позволяет управляющей системе получить два или больше цифровых сообщений от полевого устройства в секунду.

Рисунок 3.21 − Принцип кодирования по протоколу HART

HART составляющая имеет небольшую амплитуду и не влияет на аналоговый измерительный сигнал.

Кроме того, непосредственно перед использованием аналогового сигнала, HART составляющая может быть легко удалена из него при помощи простого фильтра нижних частот.

Для надежного обмена данными по HART- протоколу значение активного сопротивления канала должно быть равным 250-1100 Ом. Иначе амплитуда HART составляющей выходит за допустимые пределы и сообщения не воспринимаются ни датчиками, ни системой.

Нагрузка, как правило, определяется активной составляющей входного импеданса системы или HART - коммуникатора