Hart протокол что это такое кратко
Обновлено: 02.07.2024
Протокол связи HART - это протокол для адресуемых по шине полевых устройств (датчиков). Протокол HART, как таковой, не является полевой шиной - он является вариантом цифровой полевой связи, выполняющим многие функции полевых шин. При HART-связи полевые устройства традиционно подключаются через выходные токовые контуры 4-20 мА. Цифровой HART сигнал накладывается на аналоговый сигнал с помощью метода частотной модуляции FSK (Frequency Shift Keying). Это позволяет передавать данные измерений, информацию о настройках и состоянии полевого устройства (датчика), не затрагивая аналоговый сигнал.
HART обеспечивает цифровую двунаправленную связь между датчиком и вторичным прибором или контроллером. Время отклика HART около 500 мс, скорость передачи равна 1200 бит/с. Протокол связи HART может применятся и во взрывоопасных зонах в том случае, если развязывающие устройства (барьеры взрывозащиты) поддерживают HART протокол.
Имеются два способа реализации HART связи с датчиками:
- Стандартное соединение равноправных узлов, когда на сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный сигнал. Это обеспечивает цифровое соединение максимум двух устройств HART Данный вид соединения обычно используется при настройке датчиков (полевых устройств). Выходной аналоговый сигнал 4-20 мА датчика при данном соединении изменяется в соответствии с величиной контролируемого параметра.
- Режим многоточечной связи с полевыми устройствами, при котором им присваиваются "сетевые" адреса шины. 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, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Полевые устройства, которым присвоен адрес 0, отключены от шины и данные с них не могут быть считаны по HART. В режиме многоточечной связи обмен данными производится также по двухпроводной линии - но только с помощью частотно-модулированного сигнала - выходной сигнал датчика зафиксирован на определенной величине и не изменяется.
Частотно-модулированный сигнал - это переменный ток амплитудой +/-0.5 мА с частотой 1200 Гц для цифровой единицы и 2200 Гц для цифрового нуля. Среднее значение этого синусоидального сигнала равно нулю, так что он не оказывает влияния на сигнал 4-20 мА и не искажает показания датчика.
Токовый модулированный HART сигнал преобразуется в напряжение на внутреннем входном сопротивлении приемника. Чтобы обеспечить надежный прием сигнала, протокол HART определяет полную нагрузку токового контура, включая сопротивление кабеля, которая должна быть в пределах от 230 Ом до 1100 Ом. Обычно, однако, верхний предел определяется не этой спецификацией, а ограниченной нагрузочной способностью источника питания.
Управление доступом по протоколу HART.
Протокол HART функционирует согласно принципу ведущий-ведомый, и все операции связи инициируются ведущим устройством. Протокол HART поддерживает два ведущих устройства: первичный ведущий, обычно система управления, и вторичный ведущий - блок управления, который используется в полевых условиях (ноутбук с HART модемом или ручной управляющий модуль - HART коммуникатор). Распределение активности ведущих устройств при управлении ведомым, выполняется на временной основе. После каждой транзакции одно из двух ведущих устройств может принимать на себя связь внутри определенного временного окна.
Полевые устройства HART (датчики с поддержкой HART) являются ведомыми устройствами и всегда реагируют только на запрос ведущего устройства HART. При работе коммуникационные узлы можно добавлять или удалять, не прерывая процесса связи.
Для настройки датчиков с поддержкой HART используются либо ручные управляющие модули - коммуникаторы, либо связка ПК-HART модем-специальное программное обеспечение. Несмотря на то, что HART протокол является стандартизированным и открытым протоколом не все устройства могут быть сконфигурированы с помощью одного HART коммуникатора или модема со специализированным программным обеспечением (например, PACTware). Большинство производителей выпускает коммуникаторы и модемы предназначенные, в большинстве случаев, для работы только с выпускаемыми этим же производителем приборами. Некоторые модели коммуникаторов (правильнее их будет называть пультами настройки с поддержкой HART) и вовсе могут работать только с одним определенным типом датчиков, но при этом их стоимость на порядок меньше, чем стоимость универсальных коммуникаторов.
При подключении HART коммуникатора или модема к не поддерживаемому типу датчиков в лучшем случае удается посмотреть (иногда и изменить) диапазон измерения, единицы измерения, величину выходного сигнала, а также откалибровать точку нуля. Откалибровать чувствительность или зайти в меню расширенных настроек Advanced setup в большинстве случаев не удастся. Для того, чтобы получить возможность работы с данным типом датчиком нужно загрузить в коммуникатор (или программное обеспечение модема) файл-описание этого датчика, так называемый драйвер описания устройства (DD или DTM)
Выбор кабеля для HART связи.
Длина проводки в большинстве установок не превышает 3000 метров - это значение равно максимальной длине кабеля для HART. Однако максимальная длина кабеля может быть меньше в зависимости от электрических характеристик кабеля - особенно его емкости - и количества подключенных устройств (коммуникационных узлов). В таблице показано, какое ограничение емкость кабеля и количество подключенных устройств накладывают на максимальную длину кабеля для HART связи.
Указанные в таблице значения относятся к типичным устройствам HART в не искробезопасных или взрывозащищенных окружающих средах, то есть без влияния различных последовательных импедансов. Подробная информация о вычислении максимальной длины кабеля для всех контуров HART предоставлена в спецификации физического уровня HART.
| Количество устройств в сети | Длина кабеля при погонной емкости, м | |||
| 65 пФ/м | 95 пФ/м | 160 пФ/м | 225 пФ/м | |
| 1 | 2800 | 2000 | 1300 | 1000 |
| 5 | 2500 | 1800 | 1150 | 900 |
| 10 | 2100 | 1600 | 1000 | 750 |
| 15 | 1800 | 1400 | 900 | 700 |
Как правило, проводка HART должна выполняться витой парой. Если используются очень тонкие и/или длинные кабели, то сопротивление кабеля и, следовательно, полная нагрузка увеличиваются. В результате растет ослабление и искажение сигнала, в то время как критически важная скорость передачи данных в сети уменьшается. Если возможны электромагнитные помехи со стороны другого работающего рядом оборудования, то кабели должны быть экранированными, особенно при большой длине линий связи. Сигнальный контур и кабельный экран должны заземляться только в одной общей точке.
Согласно спецификации HART при выборе типа кабеля нужно следовать следующим основным правилам:
- Для коротких расстояний (несколько десятков или сотен метров) достаточно простых не экранированных двухпроводных линий с сечением жил не менее 0,2 мм2;
- Для расстояний до 1,5 км должны использоваться отдельные витые пары с общим экраном кабеля сечением более 0,2 мм2;
- Для расстояний от 1,5 км до 3 км необходимы отдельные витые двухпроводные линии, экранированные попарно с сечением жил проводов не менее 0,2 мм2.
Важная особенность протокола HART - возможность использования существующей проводки. Спецификация HART не предписывает какого-то специального типа разъема для подключения коммуникатора или HART-модема, поскольку полярность не влияет на оценку частоты сигнала HART. Поэтому подключение HART коммуникаторов и модемов к линиям связи 4-20 мА датчиков осуществляют с помощью простых зажимных клемм, например, типа "крокодил" или "паучья лапка".
При установке устройств с поддержкой HART убедитесь, что нагрузка устройства HART не превышает 1100 Ом согласно спецификации на данный протокол связи. Технологический контроллер или вторичный прибор должны быть способны обеспечить питание для подключенного двухпроводного устройства HART.
Достоинства и недостатки протокола HART.
Протокол связи HART имеет следующие достоинства:
- Простая настройка, сервис и техническое обслуживание устройств с поддержкой HART;
- Совместимость с обычными аналоговыми полевыми устройствами и датчиками;
- Открытый стандарт, доступный каждому изготовителю оборудования КИП;
- Достаточно высокая помехоустойчивость.
Согласно исследованию, проведенному компанией ARC Advisory Group в конце 2010 года 46% от 69,2 млн. контрольно-измерительных приборов и устройств, установленных по всему миру имеют поддержку HART и тенденция увеличения количества подобных устройств сохраняется.
Главным недостатком HART является то обстоятельство, что усовершенствования протокола могут производиться только в области программного обеспечения, а не в аппаратной части протокола (в связи с необходимостью поддерживать совместимость со "стареющей" технологией аналоговой аппаратуры). Следовательно, сегодня HART является медленной технологией по сравнению с другими протоколами и системами связи.
Дополнительные сведения о HART протоколе можно найти в энциклопедии АСУТП.
Устройства связи в системах промышленной автоматизации позволяют передавать данные, команды и другую информацию для оптимизации управления технологическим процессом и автоматизации производства. Обслуживающему персоналу затруднительно следить за всем оборудованием на заводе – это бы существенно снизило производительность.
Один из способов автоматического контроля промышленного оборудования – это использование токовой петли 4…20 мА. Первичная переменная (PV) передается как значение тока в диапазоне 4…20 мА в двухпроводной линии с питанием датчика по тем же двум проводам. Недостаток этого метода заключается в том, что вы можете контролировать только одну переменную. Протокол Скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (Highway Addressable Remote Transducer, HART) дает возможность передавать больше информации по той же двухпроводной системе. Протокол HART является распространенным методом связи в промышленной автоматизации на протяжении уже многих лет. Рассмотрим, работу HART, но сперва вспомним, как возник этот метод.
Рис. 1. Модуляция со сдвигом частоты (FSK)
Информация о вызывающем абоненте не создает помехи голосовому сигналу, так что вся она может передаваться по одной и той же физической линии. Внедрение способа “Bell 202 FSK” позволило еще до снятия трубки на принимающей стороне отправлять большой объем данных, который может быть выделен и использован для передачи информации номера вызывающего абонента. После того как трубка телефона поднята, передача сигнала FSK прекращается, и голосовой сигнал будет принят и передан на динамик телефонной трубки.
В примере с передачей информации о вызывающем абоненте речевой сигнал представляет собой первичную переменную (PV). Аналогичным образом в промышленных приложениях сигнал, который должен постоянно контролироваться, известен как основное измеряемое значение. Основным измеряемым значением может быть температура или уровень давления, измеряемые в промышленных установках.
Рис. 2. Ток 4…20 мА и информация HART
HART – это гибкий способ коммуникации для различных приложений промышленной автоматизации. Сам метод предлагает множество преимуществ, которые снижают стоимость, упрощают проектирование и обеспечивают такие результаты, как:
- передача (сопутствующей) цифровой информации без прерывания основного аналогового сигнала;
- простая реализация с использованием существующей двухпроводной инфраструктуры 4…20 мА;
- гибкие способы работы для удовлетворения потребностей различных систем.
Семейство микросхем DAC8740H производства компании Texas Instruments объединяет модем HART вместе со всеми сопутствующими компонентами, такими как источник опорного напряжения и генератор, что облегчает встраивание в готовую систему.
Содержание
Общие сведения
Преимущества
- высокая помехозащищённость
- простота и низкая стоимость монтажа
- дешевизна
- широкая распространённость в мире и России
Недостатки
- малые скорости.
- нестабильное подлкючения.
Описание протокола
Физический уровень
Wired HART
HART протокол использует метод частотного сдвига для наложения цифровой связи на токовый сигнал 4—20 мА, идущий по цепи, соединяющей центральную систему с первичными датчиками. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты (1200 Гц и 2200 Гц соответственно).
WirelessHART
Расширение стандарта, основанное на стандарте передачи данных по беспроводным сетям IEEE 802.15.4-2006 и использующее мультиплексирование с разделением по времени.
HART over IP
TCP/IP транспорт расширяет число применимых физических уровней до тех, которые поддерживают TCP/IP коммуникацию. Возможные реализации: Ethernet (802.3), Wi-Fi (802.11b/g) или RS-232 используя PPP.
HART – распространенный протокол в промышленности для улучшения токовой петли 4. 20 мА до способности цифровой передачи. Применение данной технологии стремительно растет, и уже многие оценили достоинства интеллектуального оборудования. Протокол дает возможность транслировать одновременно аналоговый и цифровой сигнал по одной и той же паре проводов. При этом остается абсолютная совместимость и безопасность имеющихся аналоговых линий 4…20 мА.
Зачем нужен HART-протокол
Цифровая часть сигнала совершенно не воздействует на аналоговый выход датчика, – она попросту отфильтровывается (см. график).
Элементарные системы датчиков обычно передают аналоговое значение посредством токовой петли. Данная технологическая переменная обычно сопряжена с измеряемым параметром датчика, таким как температура или давление, который передается аналоговым сигналом 4. 20 мА. Такого рода аналоговый сигнал может быть передан по проводу протяженностью в несколько километров, до тех пор, пока не достигнет аналоговой интерфейсной схемы, регистрирующей снижение потенциала на шунтирующем резисторе, чтобы преобразовать переданное значение сигнала датчика.
При передаче одного значения всё прекрасно функционирует. Но что, если необходимо отсылать больше сведений по двум проводам? Это станет возможно при применении датчика с HART-протоколом.
Датчик с HART-протоколом – что это?
Датчик с протоколом HART – это обыкновенный токовый датчик, у которого вдобавок токовый выход промодулирован 1200/2200 Гц. По основному токовому выходу осуществляется передача ключевого параметра (к примеру, у датчика температуры – это температура). А в данных HART могут следовать другие данные. В случае с датчиком температуры это может быть, к примеру, температура сенсора.
Прочитывать токовый выход можно на любом контроллере токового сигнала, а для выхода HART следует знать, какие характеристики станут передаваться с поддержкой HART-модема, и токовый вход модуля .
Выходной параметр в сигнале 4…20 мА примет любой контроллер или модуль, способный функционировать с токовым сигналом. Если HART необходим регулярно, в таком случае необходимо искать контроллер с поддержкой HART. Если же речь идет про нерегулярную настройку устройств, то стандартное подключение к контроллеру осуществляется по петле 4…20 мА, но следует иметь при себе HART-коммуникатор, который подключается к данной петле, и согласно этому самому HART дает возможность контактировать с датчиком. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема (например, ноутбук с HART-модемом) или HART-коммуникатора.
Как правило, аналоговые или цифровые вторичные приборы могут только лишь измерять и отображать входной сигнал от датчика, но не уведомляют о его состоянии. HART-коммуникатор способен не только показывать определяемый параметр, но и демонстрировать статус устройства, а также выводить диагностические предупреждения измеряемых величин:
· Ток на выходе датчика, как в миллиамперах, так и в процентах.
· Изменять основные характеристики конфигурирования.
· Данные об изготовителе.
Подключение устройств и плюсы протокола HART
Как HART-коммуникатор распознает, с каким типом датчика он функционирует, и как данный датчик настраивать? Для этого в коммуникаторе имеется база драйверов совместимых устройств. При подсоединении к устройству HART передающий механизм распознает и загружает из собственной базы нужный драйвер прибора.
Компания ОВЕН выпускает датчики температуры во взрывозащищенном исполнении (искробезопасная цепь или взрывонепроницаемая оболочка) с выходом 4…20 мА и наличием HART-протокола:
Что это такое, как работает и где используется протокол HART?
Технология, использующая слаботочный сигнал связи в диапазоне 4-20 мА, используется в автоматизации технологических процессов уже более 40 лет. Благодаря этому решению важная информация от измерительных устройств может быть передана в систему контроля, регулирования и управления, например, в программируемый логический контроллер (ПЛК).
Преимущество этого типа связи - простота и использование двухпроводной линии как для подачи питания, так и для передачи измерительного сигнала. Когда дело доходит до непрерывного измерения, 4 мА составляет 0%, а 20 мА - 100%.
В случае повреждения линии значение тока падает до 0 мА, поэтому мы можем легко получить простую диагностическую информацию. Еще одно преимущество - возможность передачи сигнала даже на расстояние до 1000 м. Сегодня аналоговая связь используется даже в простейших измерительных датчиках.
HART – цифровой промышленный протокол передачи данных в современных технологиях автоматизации.
Как работает HART?
В 1970-х годах исследовательская компания Bell Labs разработала стандарт Bell 202, который получил более широкое распространение в отрасли во второй половине 1980-х годов. С 1993 года стандарт был назван HART и является открытым и бесплатным для использования любым производителем.
Протокол HART обеспечивает связь с полевым прибором через токовую петлю 4-20 мА, как данные конфигурации, так и параметры, а также измерения процесса, такие как температура, расход, давление или любые другие. Управляющая информация прибора модулируется в цифровом виде по токовой петле. Его скорость составляет 1200 бит/с, так что главный компьютер может обновлять информацию несколько раз в секунду.
Революционное решение, использующее протокол связи HART (Highway Addressable Romete Transducer), позволило устройствам работать как в аналоговом, так и в цифровом режимах.
Настройка аналогового сигнала на HART заключается в наложении сигнала переменного тока, где логическая единица соответствует 1200 Гц, а нулевая - 2200 Гц.
Среднее значение переменного цифрового сигнала равно нулю, поэтому нет никакого беспокойства о взаимных помехах с сигналом постоянного тока.
Сегодня это стандарт связи для измерительных приборов в промышленности, и он используется всеми производителями оборудования, в том числе Endress + Hauser, Emerson, Yokogawa, ABB и многими другими компаниями.
HART чаще всего используется как протокол ведущий-ведомый, когда ведомое устройство отправляет данные только по запросу ведущего устройства.
Ведущее устройство может быть консолью на станции управления или портативным программатором HART в виде специального мобильного устройства или модема, подключенного к портативному компьютеру.
Разработка протокола и новые приложения
Для того, чтобы координировать деятельность и правильно подавать заявки, была создана основа для производителей HART Foundation. Эта независимая организация работает над разработкой, поддержкой и координацией этого открытого стандарта связи. В настоящее время последней версией является HART 7.1.
Наряду с развитием самого протокола и улучшением передачи данных, существуют также такие решения, как Wireless HART, то есть беспроводная связь, позволяющая, например, передавать сигнал из мест, которые до сих пор не были подключены к системе контроля.
Например, на бесконтактном радареFMR62 от Endress + Hauser может включать в себя: уровень, расстояние, температуру электроники, амплитуду эхо-сигнала или другую информацию, относящуюся к расширенной диагностике.
HART как основа оцифровки оборудования
Одно из самых интересных приложений протокола HART - это простая реализация данных с устройств в облачном решении. Все больше и больше предприятий убеждают воспользоваться широкими возможностями, предлагаемыми облачными вычислениями.
Доступ к данным измерений и диагностики из любого места в любое время, возможность анализировать исторические данные, новые возможности оптимизации процесса, сокращение времени, необходимого для устранения сбоев или прогнозной диагностики позволили протоколу HART стать самым популярным коммуникационным стандартом для промышленных сетей.
Устройства с HART-связью смело можно назвать цифровыми, и поэтому в большинстве случаев они готовы к работе с облачной средой (облачными системами хранения данных).
Одним из примеров такого решения является экосистема Netilion, доступная как услуга от Endress + Hauser. Любое устройство HART может быть подключено к облаку через шлюз, а затем граничное устройство отправляет информацию в облачные вычисления на основе безопасного решения AWS (Amazon Web Services).
Также можно использовать беспроводное соединение HART или оснастить имеющееся устройство специальным адаптером, который обеспечит такое соединение. Таким образом, для того, чтобы пользоваться преимуществами новейших цифровых решений, не требуется серьезной реконструкции предприятия.
Во многих случаях пользователи сталкиваются с цифровыми устройствами, потенциал которых не полностью используется.
Однако достаточно небольшого шага, чтобы использовать известный до сих пор метод связи гораздо шире и в сочетании с новейшими информационными технологиями, чтобы предложить пользователю ранее неизвестные улучшения. Протокол HART, безусловно, может стать отличной основой для внедрения цифровых решений на предприятии.
Читайте также: