Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?
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.
В конце 1990-х годов в телекоммуникации был принят стандарт Bell 202 для передачи информации о вызывающем абоненте в линии голосового сигнала. Частотная манипуляция сигнала (FSK) в звуковом диапазоне, которая использует модулированные тоны для передачи цифрового сигнала, передает цифровую информацию, содержащую номер телефона. Передача данных со скоростью 1200 бит/сек с использованием тональных частот 1200 и 2200 Гц, представляющих двоичный «1» или «0» соответственно, показана на рисунке 1.
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.
Модем HART модулирует и демодулирует сигнал с использованием FSK таким же образом, как и система передачи Bell 202. Теперь возможно передавать цифровые данные, к примеру, идентификацию датчика или устройства, данные калибровки или другую диагностическую информацию по той же двухпроводной петле, по которой передается и сигнал постоянного тока 4…20 мА. Такая система обычно называется «гибридной», поскольку она сочетает в себе как цифровые, так и аналоговые сигналы. На рисунке 2 показаны аналоговый сигнал и наложенный цифровой сигнал.
Рис. 2. Ток 4…20 мА и информация HART
Протокол HART имеет два основных режима работы: «точка-точка» и режим множественного доступа. В режиме «точка-точка» имеется одно ведущее устройство и одно ведомое. Преимущество этого режима заключается в том, что цифровые данные легко передаются по существующей линии 4…20 мА, что обеспечивает более детальный мониторинг устройства по существующей инфраструктуре сетей связи. В режиме множественного доступа к одной линии присоединяется несколько ведущих и ведомых устройств, поэтому могут передаваться только данные протокола HART FSK, а постоянный ток в линии фиксируется на уровне 4 мА. Режим множественного доступа может быть полезен, если много вынесенных устройств обменивается данными с единой системой управления, но в этом случае постоянный ток интерфейса «токовая петля» не может быть использован для непрерывного отслеживания основного измеряемого значения.
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.
HART-протокол
HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА.
HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4—20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно «0», то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.
Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.
В многоточечном режиме — датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. 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. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.
HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет — их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций [1] . На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.
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.
Протокол HART и как он работает.
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. Далее.
- +1
- 23 июля 2018, 11:29
Комментарии ( 14 )
картинка для понимания где и для чего этот HART применяется — для создания медленно-скоростных локальных подсетей, данными с которых обмениваются через быстро-скоростные магистральные сети
Есть центральный программируемый контроллер ПЛК, который опрашивает периферийную станцию ввода/вывода, в которую установлены модули ввода/вывода с функциональностью HART, связанные с соответствующими датчиками и исполнительными устройствами 
сейчас для медленно-скоростных локальных подсетей стали популизировать программно-аппаратный интерфейс IO-Link со своими приёмо-передатчиками.
В станцию ввода/вывода втыкается модуль IO-Link, который общается в своей локалке с устройствами. 
IO-Link и HART медленные интерфейсы,
в задачах с требованием быстрого отклика на изменения показаний датчика применяют датчики и устройства со встроенным интерфейсом Профибус/Профинет(Эзернет)
HART Technology Explained
HART is a bi-directional communication protocol that provides data access between intelligent field instruments and host systems. A host can be any software application from technician’s hand-held device or laptop to a plant’s process control, asset management, safety or other system using any control platform. Communication occurs between two HART-enabled devices, typically a smart field device and a control or monitoring system. Instrumentation grade wiring and standard termination practices assure reliable communication.
HART provides two simultaneous communication channels, one analog, the other digital: A 4-20mA signal communicates the primary measured value (PV) as an analog value of current using the wiring that provides power to the instrument. The host system then converts the current value to a physical value according to parameters defined by HART Software. For example, 7 mA = 80 degrees F.
Digital device information is communicated by encoding a digital signal, generally using a technique known as Frequency Shift Keying on the same 4-20mA wiring used for analog communications. The digital signal contains information from the device including PV, device status, diagnostics, and additional measured or calculated values, etc.
Together, the two communication channels provide a complete field communications solution that is easy to design, simple to use, low cost and extremely reliable.
How HART Works
“HART” is an acronym for Highway Addressable Remote Transducer. The HART Protocol makes uses Frequency Shift Keying (FSK) standard to superimpose digital communication signals at a low level on top of the 4-20mA. This enables two-way field communication to take place and makes it possible for additional information beyond just the normal process variable to be communicated to/from a smart field instrument.
The HART Protocol communicates at 1200 bps without interrupting the 4-20mA signal and allows a host application (master) to get two or more digital updates per second from a smart field device. As the digital FSK signal is phase continuous, there is no interference with the 4-20mA signal. The HART Protocol provides two simultaneous communication channels: the 4-20mA analog signal and a digital signal. The 4-20mA signal communicates the primary measured value (in the case of a field instrument) using the 4-20mA current loop — the fastest and most reliable industry standard. Additional device information is communicated using a digital signal that is superimposed on the analog signal.
The digital signal contains information from the device including device status, diagnostics, additional measured or calculated values, etc. Together, the two communication channels provide a low-cost and very robust complete field communication solution that is easy to use and configure.
Frequency Shift Keying (FSK)
The HART digital communication is based on Bell 202 and uses a Frequency Shift Keying (FSK) technique to superimpose two-way digital communication on to the 4-20 mA current loop signal. The HART Signal communicates at 1200 bits per seconds – typically capable of providing 2 — 3 Primary Variable updates per second.
Primary and Secondary Hosts
The HART Protocol permits several hosts on the network.
Request-Reply Protocol
HART technology is a request-reply protocol, which means that a smart field device only speaks when spoken to by a host. The HART Protocol can be used for communicating information to/from smart field instruments and central control or monitoring systems.
Two Types of Configuration
The HART Protocol conducts all digital communication with field devices in either point-to-point or multidrop network configurations.
Two Types of Configuration
The HART Protocol conducts all digital communication with field devices in either point-to-point or multidrop network configurations.
Two Types of Messaging
The are two types of messaging used in HART communication — Request-Reply and Burst Mode (optional). In Request-Reply, a host sends a command and the device replies.
Two Types of Messaging
The are two types of messaging used in HART communication — Request-Reply and Burst Mode (optional). In Burst mode, a host sends a command and the device continues to send data to the host.
To learn more about how HART works, take our new self-paced online course (free of charge for a limited time): HART Protocol — Technology Overview.
HART COMMANDS
The HART Protocol is a request-response communication protocol which means that during normal operation, each communication is initiated by a request (or command) from the host communication device. The host is generally a distributed control, PLC, or PC-based asset management system for example. The device is typically a field measurement device such as pressure, level, temperature, flow or other transmitters.
In order to make certain any HART-enabled device from any supplier can communicate properly and respond to a command with the correct information, the set and types of commands are defined in the HART Specifications and implemented in all HART registered devices.
Users need not worry about these commands because they are included in the functions of the host. The specific capabilities of a device (device specific commands) are available to the host when the host is given the instructions included in the Device Description (DD) of a specific device.
An important point is that defined device status indications are included with each communication response to the host. The host then interprets these status indicators and may provide basic device diagnostic information.
The HART Command Set provides uniform and consistent communication for all field devices. Host applications may implement any of the necessary commands for a particular application. The command set includes three classes:
Universal
All devices using the HART Protocol must recognize and support the universal commands. Universal commands provide access to information useful in normal operations (e.g., read primary variable and units).
Common Practice
Common Practice commands provide functions implemented by many, but not necessarily all, HART Communication devices.
Device Specific
Device Specific commands represent functions that are unique to each field device. These commands access setup and calibration information, as well as information about the construction of the device. Information on Device Specific commands is available from device manufacturers.
A Partial List of HART Commands:
Read manufacturer and device type
Read primary variable (PV) and units
Read selection of up to four dynamic variables
Start, stop, or clear totalizer
To learn more about HART Commands, take our new self-paced online course (free of charge for a limited time): HART Protocol — Technology Overview.
HART Protocol Layers
HART is based on the basic Open System Interconnection (OSI) reference model:
Of the 7 layers HART uses 3: Physical Layer, Data Link Layer and Application Layers.
To learn more about HART Protocol layers, take our new self-paced online course (free of charge for a limited time): HART Protocol — Technology Overview.