Топологии подключения

HART построен по принципу Главный – Подчиненный.

Это означает, что полевое (подчиненное) устройство отвечает, только когда поступит запрос от главного.

Два главных (основной и вторичный) могут связываться с любыми подчиненными устройствами в HART -сети.

Вторичные главные, такие как переносные коммуникаторы, могут быть подключены практически к любой точке HART- сети и взаимодействовать с полевыми устройствами, не нарушая информационного обмена с Основным главным, которым обычно является компьютерная система сбора данных, мониторинга и настройки.

Существуют различные режимы коммуникационного обмена между интеллектуальными полевыми измерительными приборами и оборудованием центрального контроля и мониторинга. Наиболее распространена цифровая коммуникация одновременно с аналоговым сигналом 4-20 мА (Главный – Подчиненный).

Этот режим предоставляет собой цифровой обмен Подчиненного с Главным по запросу Главного.

Аналоговый сигнал 4-20 мА может по-прежнему нести информацию о Первичной переменной.

"Burst"(монопольный, подписка) режим является дополнительным режимом коммуникации, в котором Подчиненный непрерывно передает данные об измеряемом процессе в стандарте HART.

Этот режим освобождает Главное устройство от необходимости отправления повторных командных запросов для получения обновленной информации о процессе. Подчиненное устройство будет непрерывно передавать ответное сообщение, пока Главное не даст ему команду на выполнение другого действия.

Временные промежутки между сообщениями позволяют Главному послать Починенному новую команду. Частота обновления данных 3-4 раза в секунду является типичной при коммуникации в режиме "burst" и меняется в зависимости от выбранной команды и объема передаваемых данных.

Режим "burst" следует использовать в сетях только с одним подчиненным устройством. Монопольный режим является необязательным к реализации, поэтому не все HART- приборы поддерживают этот режим.

Кроме указанных режимов HART - протокол позволяет объединять до 15 полевых устройств на одной и той же паре проводов в многоточечную сетевую структуру.

В многоточечных структурах HART - коммуникация используется как полностью цифровая.

Ток в петле фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - обычно 4мА) и не содержит информации об измеряемом процессе.

При усовершенствовании системы сбора данных в перспективе тот же провод, используемый для обычных аналоговых приборов 4-20мА, может использоваться для создания сетевой структуры с HART- коммуникацией. Длина кабеля зависит от типа кабеля и количества присоединенных устройств.

Зачастую в аналоговой АСУТП присутствует множество датчиков, работающих в режиме совместимости с токовой петлей 4-20мА. В этом случае рекомендуется использовать HART- мультиплексор.

При работе через мультиплексор датчики передают информацию в систему по токовому выходу 4-20 мА, а все сервисные функции (калибровка, конфигурация, настройка параметров) осуществляются по каналу RS485 через HART-мультиплексор.

Большинство промышленных контроллеров, имеет свободно программируемый выход RS-485. Этот выход программируется для обмена по канальному и прикладному уровням HART - протокола, а в качестве интерфейса физического уровня используется RS-485.

Практически все мультиплексоры поставляются с драйверами в стандарте ОРС, позволяющими их использовать в системах без дополнительного программирования контроллеров.

При использовании мультиплексора количество аналоговых датчиков ограничивается только возможностями мультиплексора и интерфейса RS485. Рекомендуемое число HART- полевых приборов в такой сети - до 465 приборов.

Комбинация HART и RS485/RS232 является удачным техническим решением, поскольку физический уровень на основе RS485/RS232 позволяет повысить скорость обмена данными по HART- протоколу и использовать его как чисто цифровой протокол.

Интерфейс RS485/RS232 широко распространен, относительно прост в реализации. В то же время верхние уровни HART- протокола тщательно отработаны и проверены практикой и временем.

Комбинация HART и RS-485/RS-232 позволяет реализовать полноценный, хорошо отработанный цифровой обмен. В настоящее время существует ряд приборов, использующих цифровой интерфейс RS-485/HART. Используется такой интерфейс в расходомерах для применения во взрывобезопасных приложениях.

HART-протокол занимает промежуточное положение между аналоговой и полностью цифровой передачей данных. Он широко известен, как промышленный стандарт усовершенствования токовой петли 4–20 мА до уровня цифровой коммутации. При этом полностью сохраняется полная совместимость и надёжность существующих аналоговых линий 4–20мА.

Фактически датчик с HART- сигналом можно устанавливать вместо аналоговых и с помощью портативного HART–коммутатора использовать все преимущества цифрового обмена уже в существующих аналоговых системах. Технические параметры протокола HART представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Технические параметры протокола HART

Параметры	HART
Совместимость с токовой петлей 4-20мА	Да
Двунаправленная цифровая коммуникация	Да
Многопараметрическая коммуникация	Да
Несколько Главных устройств в системе	Да (2)
Считывание измерительной информации по цифровому каналу	Да
Скорость передачи данных	1.2 кБод, 2,4 кБод - burs-режим
Многоточечный режим	Да
Использование во взрывоопасных зонах	Да
Максимальная протяженность линии связи	3 км
Вероятность ошибки, при условиях определенных стандартом HART	1 на 10 000 транзакций

Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом представлен на рисунке 3.22. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART- протоколу осуществляется посредством недорогого портативного контроллера – HART-коммуникатора (например, Метран-650) или

HART-коммуникатор Метран-650

Коммуникатор Метран-650 - портативное устройство, предназначенное для cчитывания информации, удаленной настройки и конфигурирования интеллектуальных полевых приборов c HART-протоколом.

Основные достоинства коммуникатора:

· возможность настройки произвольных HART-приборов из любой точки токовой цепи;

· доступ ко всем параметрам приборов;

· диагностика прибора;

· получение информации об устройстве (номер прибора, версия прибора и т.д.).

· совместимость с приборами HART

· Наличие взрывозащищенного исполнения: вид взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" (маркировка взрывозащиты 0ExiaIICT5 X)

· Обслуживание по HART до 15 устройств, подсоединенных к одной линии

· Автономный источник питания - блок перезаряжаемых аккумуляторов

· Интерфейс пользователя на русском или английском языках

· Коммуникатор не является средством измерений и не вносит дополнительной погрешности в аналоговый измерительный сигнал ТУ 4213-032-12580824-2001

компьютера (например, с использованием конфигурационной программы H–Master, через HART/RS232 модем Метран–681).

Рисунок 3.22− Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении 4 мА (только для питания устройства) и не содержит информации об измеряемой величине.. Информация о переменных процесса считывается по HART– протоколу (рисунок 3.23).

Рисунок 3.23 − Многоточечный режим работы датчиков  

К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков, каждый имеет свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

В качестве среды передачи сигнала используется кабель типа экранированная витая пара.

Обмен данными по HART–протоколу

Структура HART протокола Главный (Ведущий) / Подчиненный (master / slave) означает, что каждая транзакция сообщения инициируется главной (центральной) станцией, а подчиненное устройство отвечает, получив командное сообщение.

HART протокол допускает наличие двух главных станций в системе. Обычно первичным главным бывает система управления или другое базовое устройство, а вторичным ведущим является ручной коммуникатор или обслуживающий компьютер.

Главное устройство ответственно за управление транзакциями сообщений. Если за определенный промежуток времени ответ на команду не поступает, главное устройство повторит команду. Если после нескольких повторных попыток ответ так и не приходит, главное устройство прекращает транзакцию.

После завершения транзакции главное устройство выжидает некоторое время перед тем, как послать следующую команду, позволяя тем самым другому главному устройству тоже послать команду. Таким образом, два главных устройства по очереди взаимодействуют с подчиненными устройствами.

При типичных длинах сообщений и задержках можно сделать две транзакции в секунду. Для достижения большей скорости передачи данных некоторые первичные устройства обладают дополнительной возможностью работать в пакетном режиме (подписка). При работе в этом режиме подчиненное устройство без команд периодически посылает сообщение с данными. Для запуска и останова этого режима работы используются специальные команды. После каждого пакетного сообщения выдерживается короткая пауза, чтобы дать возможность главному устройству остановить пакетный режим работы. В общем случае, пакетный режим полезен только тогда, когда всего лишь одно первичное устройство подсоединено к паре проводов. В пакетном режиме за одну секунду может быть передано более трех сообщений.

На рисунке 3.24 показан пример реализации байта HART протокола. Сообщения кодируются как последовательность 8–разрядных байт, которые передаются по кабелю последовательной связи с использованием стандартного метода UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Универсальный Асинхронный Приемник/Передатчик) для посылки каждого байта. Как и в RS–232 и других асинхронных коммуникационных связях, к каждому байту добавляются стартовый бит, бит четности и стоп бит. Это позволяет принимающему устройству UART распознавать начало каждого символа и обнаружить ошибку в разрядах из–за шума в электросети или других помех.

Рисунок 3.24 − Одиночный 8–разрядный байт HART протокола

HART-протокол функционирует в полудуплексном режиме. После завершения передачи сообщения сигнал частотного сдвига может быть отключен, чтобы позволить передавать сигналы другим станциям.

Дата добавления: 2013-12-12