Аббревиатура HART (Highway Addressable Remote Transducer) в дословном переводе с английского языка означает «Магистральный адресуемый удаленный преобразователь» и представляет собой набор стандартов связи для сетей, объединяющих промышленное оборудование различного назначения.
В целом стандарт HART предназначен для объединения в коммутационную сеть промышленных датчиков (давления, температуры, уровня, расхода) и включает в себя как физические уровни реализации интерфейса связи (проводной и беспроводной), так и протокол обмена данными.
Под коммуникационной сетью промышленных датчиков в данном случае понимается комплекс аппаратно-программных средств, обеспечивающих обмен информационными сообщениями между несколькими устройствами. Коммуникационная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.
Элементы коммуникационной сети (конечные устройства, узлы сети) соединяются с самой сетью посредством интерфейсов связи, которые представляют собой условную границу (логическую или физическую) между элементом коммуникационной сети и непосредственно средой передачи информационных сообщений. При этом для обмена информационными сообщениями все конечные устройства коммуникационной сети должны иметь единый протокол обмена данными. В упрощенном виде протокол обмена данными можно рассматривать как набор правил, в соответствии с которыми осуществляется обмен информационными сообщениями между элементами коммуникационной сети.
Протокол обмена данными определяет синтаксис и семантику информационных сообщений, процедуры управления, синхронизации и статуса при коммуникации, и может быть реализован аппаратно, программно или, чаще всего, аппаратно-программно. При этом наименование коммуникационной сети зачастую совпадает с названием протокола обмена данными.
Первая версия HART-протокола была разработана в середине 1980-х годов компанией Rosemount (США). Но только в 1986 году, когда вышла вторая версия протокола, он официально был признан открытым стандартом и получил наименование HART.
С 1986 года по 1989 год происходило ежегодное обновление спецификации HART-протокола, что в конечном итоге привело к созданию в 1989 году HART-протокола версии 5.0, которая на протяжении 12 лет сохраняла свою актуальность. И именно, начиная с версии 5.0, была обеспечена совместимость протокола с более поздними версиями, то есть вносимые изменения в новых версиях спецификации HART-протокола не влияли на его функциональные возможности, описанные в предыдущих версиях.
Тем не менее, еще в 1980 году при создании самой первой версии HART-протокола ставилась задача обеспечения его совместимости с уже получившим в то время широкое распространение стандартом «токовая петля». При этом необходимо было также расширить функциональные возможности стандарта для организации управления конечными устройствами коммуникационной сети.
Таким образом, стандарт «токовая петля» был модернизирован так, что появилась возможность полудуплексного цифрового обмена данными при сохранении аналогового сигнала. Для этого аналоговый сигнал стандарта «токовая петля» был суммирован с цифровым сигналом (рисунок 1) и полученная сумма была передана посредством источника тока 4…20 мА по линии связи. Цифровой сигнал передается модуляцией тока амплитудой ± 0,5 мА (отсутствует постоянная составляющая), что в свою очередь не вносит искажений в аналоговый сигнал. Минимальное сопротивление источника питания линии связи (приемника сигнала 4…20 мА) в соответствии с требованиями стандарта составляет 230 Ом. В конечном итоге получаем стандарт связи, который обеспечивает питание конечного устройства, снятие его первичных показаний и вторичной информации по двухпроводной линии.
Рисунок 1 — Пример наложения цифрового сигнала на аналоговый
Частоты связи цифрового сигнала составляют 1200 Гц для логической единицы и 2200 Гц для логического нуля, а для аналогово сигнала частота сигнала 0…10 Гц. Исходя из различия частот аналогового и цифрового сигнала более чем на два порядка, не составляет никакой технической сложности их разделение на стороне приемника посредством фильтров высоких и низких частот (ФВЧ и ФНЧ). Скорость обмена данными при данном способе передачи цифрового сигнала составила 1200 Бод. Для передачи логической единицы используется один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического нуля — два неполных периода частоты 2200 Гц. При смене частоты цифрового сигнала фаза колебаний остается неизменной, поэтому данный способ формирования сигнала также получил название частотной модуляции с непрерывной фазой.
Выбор частот неслучаен, он полностью соответствует стандарту для телефонных каналов связи США — BELL 202.
Спустя 12 лет (в 2001 году) с целью повышения скорости обмена информационными сообщениями стандарт HART был дополнен вариантом исполнения с фазовой модуляцией, где несущая частота составляла 3200 Гц и использовалась 8-позиционная манипуляция. Таким образом, скорость обмена данными возросла до 9600 Бод. При этом стандарт HART определяет исполнение с фазовой модуляцией как дополнительное и рекомендует возвращаться к частотной модуляции сигнала при возникновении проблем со связью в коммуникационной сети.
При помощи цифрового сигнала (стандарта HART) можно не только осуществлять настройку и управление первичными устройствами сети (например, датчиками), но и считывать измеряемый параметр, что в свою очередь позволяет сохранить точность за счет устранения процессов цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования сигнала 4…20 мА. При этом отрицательным фактором является то, что время, затрачиваемое на формирование и отправку информационного сообщения, добавляет задержку измерения и, как следствие, увеличивает инерционность системы управления в целом. Однако данная проблема в быстродействующих контурах легко решается за счет применения для целей управления аналогового сигнала.
Возможность использования цифрового сигнала позволяет хранить в первичных устройствах и по запросу передавать дополнительную информацию о технологическом процессе и используемом оборудовании, такую как номер тега и описание измерения, калибровочный диапазон прибора и единицы измерения. Кроме того, устройство может выдавать дополнительную информацию о себе самом (рисунок 2), что выступает в роли «электронной бирки», а также записи о процедурах его обслуживания (например, о дате крайней калибровки).
В случае, когда измеряемая величина считывается только посредством цифрового сигнала, отсутствует необходимость в аналоговом сигнале, и, как следствие, возникает возможность подключения к одной «токовой петле» (паре проводов) несколько первичных устройств. При этом считывание данных с каждого первичного устройства должно производиться индивидуально. Для реализации данного функционала вводится понятие уникального (в рамках одной коммуникационной сети) адреса устройства. При этом каждое конечное устройство отвечает только на запросы, содержащие его адрес, а каждый запрос от системы управления должен содержать данный адрес как часть информационного сообщения.
Данный подход может существенно сократить финансовые затраты на прокладку линий связи к конечным устройствам, а также на электронные модули аналогового ввода для системы управления за счет сокращения их количества. Но использование последовательного опроса всех конечных устройств коммуникационной сети, как уже было сказано выше, скажется отрицательно на быстродействии системы управления в целом. Поэтому вопрос повышения скорости обмена данными в коммуникационной сети особенно актуален.
Рисунок 2 — Пример организации цифровой связи в коммутационной сети
Тенденция развития промышленного оборудования наглядно демонстрирует стремление к выпуску более интеллектуальных средств, способных произвести более глубокую автоматизацию технологических процессов, а также обладающих развитой встроенной системой самодиагностики.
В сентябре 2007 года HART Communication Foundationбыла разработана новая версия (7.0) стандарта HART, получившая наименование Wireless HART (беспроводной HART). Организация связи по радиоканалу в Wireless HART основывается на стандарте беспроводных сетей IEEE 802.15.4-2006 с разделением каналов по времени. При этом все информационные сообщения, передаваемые по радиоканалу, шифруются по симметричному алгоритму блочного шифрования AES 128.
Коммуникационная сеть, построенная на базе WirelessHART, является сетью с самоорганизующейся топологией, то есть все конечные устройства, а также узлы коммуникационной сети самостоятельно определяют и способны динамически изменять в процессе работы топологию ретрансляции.
В настоящее время актуальной действующей спецификацией HART-протокола является обновленная версия 7.5, которая была выпущена в 2012 году, и включает в свой состав 17 документов, описывающих как проводной вариант исполнения HART, так и беспроводной — Wireless HART. Но политикой распространения официальных спецификаций HARTне предусмотрена возможность их получения в открытом доступе. Для получения официальной спецификации HARTорганизации-разработчику оборудования необходимо либо приобретать документацию, либо быть членом организации HART Communication Foundation.
Стандарт HARTсодержит в своем составе три уровня сетевой модели:
- — физический уровень — определяет способы передачи бит информации через физические линии связи и включает в свой состав:
- описание метода частотной модуляции (старый метод);
- описание метода фазовой модуляции (новый метод);
- — канальный уровень — определяет структуру данных фреймов;
- — прикладной уровень — определяет наборы поддерживаемых команд.
О принципах построения и функциональности уровней сетевой модели HART-протокола мы расскажем в следующей статье.
Главный конструктор
Усков Алексей Юрьевич