Что такое hart protocol

Обновлено: 30.06.2024

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.

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.

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
Количество устройств в сети	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.

Передатчики стандарта HART

В статье «Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?» авторы обсудили протокол скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (HART) и его место в конструкциях сенсорных датчиков. Напомним, что простые конструкции передатчиков традиционно передают аналоговое значение, обычно называемое технологической переменной (ТП, PV), через токовую петлю. Эта технологическая переменная обычно связана с измеряемым параметром датчика, таким как влажность, температура, pH, давление, который представлен аналоговым сигналом 4…20 мА. Такой аналоговый сигнал может быть передан по проводу длиной несколько километров, пока не достигнет аналоговой интерфейсной схемы, регистрирующей падение потенциала на шунтирующем резисторе, чтобы преобразовать переданную величину сигнала датчика.

При включении модема HART приложение сможет передавать данные по расширенным процедурам калибровки, отправлять диагностические данные или передавать технологические переменные с других подключенных сенсорных платформ. Эта передача данных возможна посредством сигнала HART с частотной манипуляцией (FSK), которая накладывается на аналоговый сигнал токовой петли.

Перед тем как погрузиться в специфические особенности конструкции двухпроводного передатчика HART, пройдите (или освежите в памяти) ускоренный курс проектирования простого двухпроводного передатчика [1]. Закончили обзор? Отлично! Теперь Вы на полпути.

Начнем со схемы, показанной на рисунке 1.

Рис. 1. Двухпроводный передатчик с модемом HART

Схема может казаться несколько сложной, но единственная разница между этой схемой и показанной в записи блога о простом двухпроводном передатчике – это включение модема HART DAC8740H. Небольшой ток покоя модема DAC8740H (порядка 180 мкА) делает его превосходным кандидатом для решения задач передачи данных с маломощных датчиков. Используя методы, показанные в ускоренном курсе [1], определим коэффициент усиления \((1+\frac)\) для токовой петли.

Между модемом HART и передатчиком имеются всего две точки присоединения. На рисунке 2 вывод DAC8740H MODOUT модема HART соединяется с передатчиком по переменному току через конденсатор C1. Этот конденсатор вместе с R6 создает фильтр верхних частот, который ослабляет частоты более низкие, чем выбранная частота отсечки, \(\frac<(2\times TT\times R6\times C1)>\).

Рис. 2. Присоединение модема HART

Во время работы сигнал HART FSK с амплитудой 1 мА р-p поступает из точки выхода модуляции MODOUT и накладывается на аналоговое значение тока в петле. Резистор R6, включенный последовательно между HART-модемом и неинвертирующим терминалом U3, может устанавливать и менять амплитуду сигнала FSK. С учетом наложения, формула 1 определяет переменную компоненту тока в петле как:

Подставляя из схемы значения для R3, R4 и напряжения полного размаха на выходе модуляции, получим величину для R6. Имея значение R6 и выбрав частоту среза фильтра верхних частот, можно вычислить величину C1. В типовом проекте высокоточного преобразователя для токовой петли 4…20 мА с модемом HART частота среза составляет 679 Гц, что позволяет эффективно ослаблять шум и частоты ниже 1200 и 2200 Гц без существенного влияния на диапазон частот сигналов HART.

Готово! Вы закончили конструкцию передатчика HART и можно двигаться дальше. Следующим шагом будет создание интеллектуального передатчика сигнала датчика, для чего необходимо выбрать интерфейс датчика, например, TMP116 – микросхему, обеспечивающую лучшую точность, чем резистивный датчик температуры класса А (RTD).

Как работают датчики с HART-протоколом

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:

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)

Настройка датчиков КИП с помощью HART-модема и программы PACTware

Протокол связи HART прочно утвердился в качестве стандартного средства настройки полевых приборов. Но для работы с приборами по HART протоколу требуются дорогостоящие HART коммуникаторы. К тому же выбор таких коммуникаторов не слишком велик: самыми популярными являются модели Emerson Hart 275, 375 (сняты с производства) и 475 Field Communicator, а также более бюджетная модель Meriam 4150.

Для работы с полевыми устройствами по HART протоколу можно использовать HART модем, ноутбук и специализированное программное обеспечение, например, PACTware. Стоимость HART модема существенно меньше стоимости коммуникатора, а программное обеспечение PACTware и вовсе абсолютно бесплатно и к тому же русифицировано.

Прежде чем начать связываться с датчиками по HART протоколу необходимо произвести настройку программного обеспечения на ноутбуке или ПК, к которому планируется подключать HART модем. Далее приведена пошаговая инструкция по настройке ПО для HART модема:

Скачиваем программу PACTware с официального сайта проекта http://www.pactware.com/en/products/pactware.html. Можно качать любую версию, мною проверена работоспособность версии KROHNE Messtechnik GmbH. Она работает на ПК под управлением Windows XP и Windows 7 (32-бит). Скачиваем PACTware (на момент написания статьи доступна версия V4.1 SP3), но пока не устанавливаем.
Скачиваем универсальный драйвер HART (HART Communication DTM Version 1.0.44) с сайта http://www1.codewrights.biz/site/index.php/en/downloads/software. Универсальный драйвер нужен для организации обмена информацией через HART модем. Драйвер распространяется бесплатно, но для его скачивания нужно зарегистрироваться на сайте (для регистрации нажмите ссылку "Don't have an account?").
Устанавливаем скачанный DTM драйвер HART.
Теперь самое главное. Необходимо скачать коллекцию DTM файлов для тех приборов, которые вы хотите настраивать с помощью HART модема. Бесплатные коллекции для приборов таких производителей как WIKA, VEGA, TURCK и др. вы можете скачать на сайтах этих компаний (ссылки можно найти здесь http://www.pactware.com/en/members/register-of-members.html). Но самую большую коллекцию, где собрано очень много производителей и выпускаемых ими приборов, можно скачать здесь http://www1.codewrights.biz/site/index.php/en/downloads/software и называется он iDTM HART enduser demo. Как понятно из названия данная коллекция имеет ограниченный срок работы в бесплатном варианте (30 дней), потом вам предлагается ее приобрести.
Устанавливаем коллекцию iDTM HART enduser demo. При установке программа может попросить установить Microsoft .Net Framework 1.1. Скачиваем его с официального сайта компании Microsoft (бесплатно) http://www.microsoft.com/ru-RU/download/details.aspx?id=26
Теперь подключаем HART модем к ПК. Я использовал USB HART модем Smar Reserarch HI321, который компания Drager (производитель газоанализаторов) предлагает в качестве альтернативной замены снятому с реализации HART коммуникатору ABB 691 HT, который применялся для настройки оптических датчиков загазованности Polytron 2IR. Модем распознался без проблем (русифицированная Windows XP SP2) и драйвер для него установился автоматически. Но я все же установил родной драйвер HI321 c диска из комплекта поставки (заказной номер заказа Drager для этого модема SD14110).
В диспетчере устройств смотрим какой номер СОМ порта был присвоен HART модему (если он USB и эмулирует последовательное подключение по СОМ порту).
Запускаем установку программы PACTware. При установке программа может попросить установить Microsoft .Net Framework 2.0. Скачиваем его с официального сайта компании Microsoft (бесплатно) http://www.microsoft.com/ru-RU/download/details.aspx?id=1639. Кстати, если в системе установлены Framework версий 3.хх и 4.хх все равно может попросить поставить более старые версии Framework. Либо если при установке коллекции и программы у вас не было запросов на установку FW1.1 и 2.0, но программа не работает или вылазит слишком много ошибок попробуйте самостоятельно доустановить необходимые старые версии Framework.
Запускаем PACTware. При первом старте программа находит универсальный драйвер и DTM файлы коллекции автоматически. Увидеть их можно зайдя в каталог устройств (Главное меню: Вид - Каталог устройств). Если каталог пуст, нажмите кнопку "Обновить каталог устройств" и ответить "Да" на предложение создать новый каталог устройств.
Далее в главном меню нажмите кнопку "Добавить устройство" (или главное меню: Устройство - Добавить устройство). Появиться окно, к котором необходимо выбрать устройство HART communication (CodeWright GmbH).
В окне "Структура" появиться устройство с номером СОМ порта, например, СОМ1. Если на самом деле вашему модему присвоен другой номер СОМ порта, измените настройки: правой кнопкой мыши на строке с устройством, пункт контекстного меню "Параметры", в списке "Serial Interface" установить нужный номер СОМ порта.
Подсоединяем щупы HART модема к резистору номиналом 230…500 Ом, включенному последовательно в цепь выходного сигнала 4-20 мА датчика, который планируется настраивать по HART.
Еще раз нажимаем кнопку "Добавить устройство". В появившемся окне переходим на вкладку "производитель" - коллекция сортируется по названию производителя прибора. Находим нужного производителя и прибор. В данном случае это фирма Drager и датчик PIR 7000 ревизия 1. Выбираем нужный тип датчика - он появляется в окне "Структура" под модемом.
Выбрав строку с датчиком нажимаем кнопку "Установить связь" (главное меню: Устройство - Установить связь).
Правой кнопкой мыши кликаем на строке с датчиком и в появившемся контекстном меню выбираем пункт "Параметры". Загружается новое окно с папками - пунктами меню прибора, заходя в которые выполняем необходимые действия: настройку, калибровку нуля и чувствительности, просмотр состояния и текущих данных.
После завершения работы с прибором разрываем с ним связь и выходим из программы.

Необходимо знать, что файлы "описатели" приборов DTM в коллекциях зачастую обновляются (и добавляются новые для новых приборов) производителями реже, чем файлы описатели DD, которые предназначены для загрузки в HART коммуникаторы. Особенно этим грешит фирма Rosemount - видимо это своеобразный способ увеличения продаж выпускаемых ею коммуникаторов 475 серии. Файлы описатели приборов DD доступны на сайте ассоциации HART Communication Foundation.

Читайте также: