Особенности применения HART-протокола в системах автоматизации технологических процессов

Стандарт HART (Highway Addressable Remote Transducer) - это открытый стандарт, который основан на методе сетевого обмена [1]. Широко применяется в современных автоматических системах управления технологическими процессами (АСУТП). HART применяется для подключения промышленных датчиков и управляющих элементов АСУТП к контроллерам для передачи ин-формации, настройки и реализации диагностических функций. Стандарт включает не только протокол обмена между устройствами, но и предъявляет требования реализации проводного и беспроводного физических уровней. Проводной физический уровень дает возможность передавать информацию в цифровом формате и обеспечивать питание устройства по двум проводам. В этом случае обеспечивается совместимость с обычными аналоговыми датчиками, которые имеют выход 4-20 мА «токовая петля» [2].

Стандарт HART был создан в 1980 году фирмой Rosemount Inc., которая впоследствии сделала его открытым. С 1993 года технологией стандарта владеет организация HART Communication Foundation. С 2014 года произошло слияние Fieldbus Foundation и HART Communication Foundation и с того момента спецификации HART поддерживаются FieldComm Group. Стандарт HART применяется для связи контроллеров с различными датчиками, измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, приводами и т.д.

Несмотря на свое относительно невысокое быстродействие (1200 бит/с) и аналоговый способ передачи данных по токовой петле, а также появление более усовершенствованных сетевых технологий, устройства с поддержкой HART-протокола продолжают разрабатываться по всему миру. Стандарт HART находит свое применение в различных АСУТП и удобен в части диагностики и настройки датчиков на месте эксплуатации. Низкая мощность, требуемая для работы HART сигнала, позволяет применять его для искробезопасных электрических цепей на промышленных объектах [2].

Протокол HART это цифровой протокол передачи данных от полевых устройств, который является одним из вариантов цифровой связи и выполняет ряд функций полевых шин. Полевые устройства обычно подключаются с помощью токовых контуров 4-20 мА. Цифровой сигнал HART накладывается на аналоговый с помощью метода FSK (Frequency Shift Keying) - частотной модуляции (рис.). Частотно-модулированный сигнал представляет собой переменный ток с амплитудой +/-0.5 мА и частотой 1200 Гц для цифровой единицы и 2200 Гц для цифрового нуля [3]. Такая форма сигнала позволяет передавать измеренное значение, информацию о настройках и состоянии устройства (датчика) и не оказывать влияние на аналоговый сигнал. Диапазоны частот аналогового сигнала - 0...10 Гц, а цифрового сигнала 1200 Гц или 2200 Гц. Различие по частоте позволяет применять фильтры низких и высоких частот в принимающем (ведущем) устройстве. Среднее значение частотно-модулированного сигнала синусоидального типа равно нулю. Поэтому он не оказывает влияния на токовый сигнал 4-20 мА и не искажает измеренное значение. Выбранные частоты для формирования сигнала HART соответствуют американскому стандарту BELL 202, который распространяется на телефонные каналы связи [1].

Рисунок. Наложение сигнала HART с помощью метода FSK [2]

Стандарт HART обеспечивает цифровую связь между датчиком и ведущим прибором или контроллером в двух направлениях. Время отклика для стандартного HART сигнала составляет около 500 мс, а скорость передачи данных составляет 1200 бит/с. Во взрывоопасных зонах протокол обмена HART также может применятся, если барьеры взрывозащиты поддерживают передачу HART-протокола.

Способы реализации связи по HART протоколу с датчиками:

1) Стандартное соединение узлов. На сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный сигнал. В этом случае обеспечивается соединение двух устройств с HART-протоколом: ведущего и ведомого. Этот вид соединения используется при настройке датчиков с помощью HART коммуникатора или контроллера и получил название «точка-точка» [2].

2) Режим многоточечной связи. У каждого устройства есть "сетевой" адрес. Одновременно может быть подключено до 15 устройств. Все устройства и датчики в многоточечном режиме имеют уникальный адрес от 1 до 15. Если полевым устройствам присвоен адрес «0», то они отключены от шины. Данные с таких устройств не могут быть считаны по HART протоколу. При многоточечном подключении обмен данными производится по двухпроводной линии только с помощью частотно-модулированного сигнала. Выходной аналоговый сигнал датчика 4…20 мА в этом случае зафиксирован на определенной величине и не изменяется [2].

Токовый модулированный HART сигнал на внутреннем входном сопротивлении приемника преобразуется в напряжение. Для надежного приема сигнала при использовании протокола HART определяется полная нагрузка токового контура, которая должна лежать в пределах от 230 Ом до 1100 Ом. Верхний предел определяется только нагрузочной способностью источника питания. Все операции связи инициируются ведущим устройством. Протокол HART может поддерживать два ведущих устройства: первичное - систему управления, и вторичное - ноутбук с HART модемом или HART коммуникатор. Все полевые устройства HART являются ведомыми и отвечают только на запрос ведущего устройства. В процессе работы сети коммуникационные узлы можно добавлять или удалять, не нарушая процесс связи [2].

Для настройки датчиков с поддержкой HART-протокола применяют коммуникаторы, HART модемы совместно с компьютером и специальным программным обеспечением. HART протокол стандартизирован и является от-крытым. Иногда возникают сложности, когда производители выпускают коммуникаторы и модемы, которые работают только с выпускаемым этим же производителем оборудованием. Стоимость таких приборов ниже, чем стоимость универсальных с поддержкой стандартной библиотеки приборов. Также наблюдается ситуация, когда не все устройства могут быть сконфигурированы с помощью одного универсального HART коммуникатора или модема. Необходимо заметить, что при подключении HART коммуникатора или модема к тому типу датчиков, который не поддерживается встроенной библиотекой универсального устройства, удается посмотреть и иногда поменять диапазон измерения, единицу измерения, диапазон выходного сигнала, а также провести калибровку «ноля». Вход в меню расширенных настроек в этом случае будет закрыт. Для того, чтобы получить полный доступ к настройкам конкретного типа датчика необходимо загрузить в коммуникатор (или программное обеспечение модема) файл-описание этого датчика. Этот файл называется драйвером описания устройства (DD или DTM) [1]. Скачать DD и DTM файлы для различных устройств можно на официальном сайте ассоциации или на сайте производителя оборудования.

При подключении устройств по HART протоколу длина линий связи доходит до 3000 метров. Это максимальная длина кабеля для передачи HART сигнала. Длина кабеля зависит от электрических характеристик кабеля. Влияние на длину кабеля оказывает емкость и количество подключаемых устройств.

Максимальное количество устройств, которые могут быть в сети достигает 15. При применении HART-повторителей (ретрансляторов, репитеров) количество подключаемых устройств можно увеличить. Необходимо отметить что для HART-протокола предъявляются очень низкие требования к полосе пропускания кабеля - 2,5 кГц по уровню - 3 дБ. При сопротивлении линии связи 250 Ом емкость линии связи может достигать 0,26 мкФ [1]. Такие величины позволяют применять кабель длиной 2...3 км. Линия связи для сигнала HART должна быть выполнена витой парой. Если использовать кабели недостаточной площади сечения или длинные кабели, то увеличивается сопротивление кабеля. В результате растет ослабление и искажение сигнала. Скорость передачи данных в сети при этом уменьшается. Если есть вероятность возникновения электромагнитных помех со стороны другого находящегося рядом оборудования, то кабели должны быть экранированными. Особенно это важно при большой длине линий связи. Сигнальный контур и экран необходимо заземлять в одной общей точке [4].

Согласно спецификации стандарта HART при выборе типа кабеля следуют ряду правил:

1) для коротких длин (несколько сотен метров) можно применять не экранированные двухпроводные линий (сечение жил не менее 0,2 мм²);

2) для длин до 1,5 км необходимо применять отдельные витые пары с общим экраном и сечением жил более 0,2 мм²;

3) для длин от 1,5 км до 3 км необходимы отдельные витые двухпроводные линии, экранированные попарно. Сечение жил проводов должно быть не менее 0,2 мм².

Важная особенность применения протокола HARTэто использование существующей проводки от ранее применяемого оборудования (без HART протокола). При установке устройств с поддержкой HART-протокола необходимо чтобы нагрузка устройства не превышала 1100 Ом согласно спецификации. Промышленный контроллер или вторичный прибор должны обеспечить необходимое питание для подключенного устройства с поддержкой HART. Применение HART-протокола позволяет производить горячую замену или добавление новых устройств. В случае ошибок сеть повторяет невыполненные операции обмена. В HART-сети инициирует процедуру обмена ведущее устройство и только один узел может послать сигнал. Ведомые устройства получают команду и посылают ответ на нее. Все ведомые устройства имеют свои сетевые адреса, которые включены в сообщение от ведущего устройства. Существует другой способ адресации, который реализуется с помощью тегов, назначаемых пользователем. Ведомые устройства можно защитить от записи новых настроек и параметров. Часто это выполняется с помощью специальных переключателей на плате устройства. Таким образом предотвращается несанкционированный доступ к настройкам [3].

Сеть построенная на основе HART-протокола может быть подключена к другим сетям: Modbus, Profibus, Ethernet и др. с помощью специальных шлюзов. В современных АСУТП широко используются мультиплексоры, которые дают пользователю возможность подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и при этом выполнить роль шлюза. Программный доступ SCADA систем к HART-устройствам основан на применении специальных OPC серверов. Каждое устройство в сети должно иметь свой адрес. Посылки от ведущего устройства декодируются одновременно всеми устройствами, входящими в сеть. Отвечает только то устройство, чей адрес совпадет с заданным. Метод адресации для HART-протокола выявляет ряд проблем. Стандарт предусматривает два вида адресов: короткий адрес (4 бита) или длинный адрес (38 бит). Применяют комбинацию короткого и длинного адреса. Длинный адрес устанавливает изготовитель прибора и не может быть изменен конечным пользователем.

При подключении нового устройства возникает задача нахождения его длинного адреса. Для того, чтобы считать из памяти HART устройства его адрес, к нему надо обратиться. Обращение подразумевает знание адреса. Этот вопрос решается применением команды с номером «0», которая использует короткий адрес для обращения к устройству и позволяет считать из него длинный адрес. Поэтому перед началом монтажа сети сначала считываются длинные адреса всех устройств и вносятся в базу данных. Узнать длинный адрес устройства можно также с помощью команды с номером 11, которая обращается к устройствам по имени тега. Такой вид обращения используется если в сети более 15 устройств или устройствам не присвоили короткие адреса заранее.

Еще одна проблема HART-протокола связана с тем, что идентификатор изготовителя имеет длину всего 8 бит и таким образом можно идентифицировать только 256 изготовителей. Поэтому для идентификации изготовителя используют часть поля серийного номера. Схему адресации устройств каждый изготовитель должен согласовать с организацией FieldComm Group.

Помимо традиционной передачи сигнала по «токовой петле» существует возможность передачи сигнала HART по выделенной телефонной линии (стандарт для телефонных линий BELL 202). HART-протокол (как и другие протоколы) может использоваться для связи посредством оптоволокна (Fiber Optic HART) или радиоканала (Wireless HART) [5].

На основе описанного выше можно выделить основные преимущества и недостатки использования HART-протокола.

Преимущества применения HART-протокола:

- обеспечивает доступ к настройкам и диагностическим параметрам всех устройств;

- возможность передачи нескольких параметров от одного устройства;

- мониторинг статуса полевых устройств;

- передача параметров по «токовой петле» и цифровому интерфейс через одну и ту же линию связи;

- совместимость с оборудованием, которое работает по «токовой петле» 4-20 мА;

- полностью открытый стандарт;

- стандартные команды и структура данных для различных устройств;

- передача уникальных данных конкретного устройства;

- проверенная на различных объектах эксплуатации технология;

- большой и постоянно расширяющийся выбор совместимых продуктов;

- применяется для большого количества цифровых интеллектуальных устройств;

- горячая замена устройств в сети;

- достаточно высокая помехозащищенность сигнала;

Недостатки применения HART-протокола:

- низкая скорость передачи данных по сравнению с другими стандартами цифровой связи: Foundation Fieldbus, Modbus RTU и т.д. и ограниченное применение для считывания данных и управления при быстротекущих процессах;

- небольшое количество данных в одном пакете;

- отсутствие в стеке протокола поддержки пользовательских алгоритмов;

- необходимость согласования схемы адресации в ассоциации FieldComm Group;

- для подключения более 15 устройств в сеть необходимо использовать дополнительное оборудование: усилители или повторители;

- универсальное оборудование (HART-коммуникаторы) подходит только для чтения общих параметров прибора и основных настроек. Вопрос использования специфических команд решается только официальным внесением протестированного DD описания прибора в стандартную библиотеку;

- усовершенствование протокола может производиться только в части программного обеспечения, а аппаратной часть остается неизменной; 

Несмотря на существенные ограничения при применении стандарта HART, почти половина контрольно-измерительных устройств в мире поддерживает обмен по HART-протоколу согласно исследованию компании ARC Advisory Group проведенному в конце 2010 года [2]. Достоинства стандарта позволяют применять HART в различных технологических процессах для обмена данными с датчиками и полевыми устройствами, в особенности для реализации сервисных и диагностических функций.