Budowa typowego przyrządu HART

Rys. 3. Sygnał HART

Na rys. 1. przedstawiono schemat blokowy typowego urządzenia pomiarowego (np. czujnika inteliogentnego) przystosowanego do komunikacji w standardzie HART. Oprócz standardowego przetwornika pomiarowego oraz układu A/C (przetwornik analogowo-cyfrowy), wyróżnić można także blok mikrokontrolera wyposażonego w moduł UART oraz połączonego z pamięcią typu EEPROM.

Ponadto w skład urządzenia pomiarowego HART wchodzi modem, przetwornik cyfrowo-analogowy oraz układ źródeł prądowych. Przyrząd pomiarowy HART różni się więc od klasycznego inteligentnego czujnika obecnością modemu i interfejsu warstwy sieciowej (układu ze źródłami prądowymi), którego zadaniem jest nałożenie sygnału zmiennoprądowy na stałoprądowy. Pozostałe bloki dla obu rodzajów przyrządów są takie same.

Niektóre urządzenia przystosowane do komunikacji zgodnej z protokołem HART udostępniają funkcję blokady ustawień parametrów procesowych. Użytkownik ma możliwość ustawić za pomocą dwupozycyjnego przełącznika na obudowie zezwolenie lub brak zezwolenia na modyfikację parametrów. W przypadku blokady ewentualny rozkaz kontrolera z żądaniem zmiany parametru procesowego nie zostanie wykonany. W zamian za to urządzenie podrzędne odpowie komunikatem o statusie blokady modyfikacji parametrów.

Procedura transmisji

Rys. 4. Sieć wielopunktowa

Transmisja między dwoma urządzeniami rozpoczyna się wysłaniem przez procesor urządzenia nadawczego do modułu UART bajtu danych. Moduł ten dokonuje enkapsulacji 8 bitów w 11-bitowej ramce, która zawiera dodatkowe bity startu, stopu oraz bit parzystości.

Jest ona przekazywana dalej do modulatora, gdzie generowany jest okresowy sygnał sinusoidalny. Kanałem transmisyjnym jest w tym wypadku przewód łączący nadajnik z odbiornikiem. Po stronie odbiornika do odczytania i zdekodowania odebranych danych konieczne jest odwrotnej kolejności podanych wcześniej czynności.

Przy odbiorze danych dodatkowym elementem jest sprawdzenie, czy wystąpiły jakiekolwiek błędy transmisji (kontrola parzystości). Po przesłaniu danego bajtu, urządzenie nadawcze może przekazać do wysłania kolejne bajty danych lub też zakończyć transmisję. Urządzenie odbiorcze przyjmuje dane tak długo, jak docierają one do niego lub gdy dostanie komendę określającą ilość informacji które mają jeszcze nadejść.

Case study: przemysł petrochemiczny platforma Pewna wenezuelska firma z branży petrochemicznej zajmująca się wydobywaniem ropy metodą gazodźwigu wybrała protokół HART do obsługi i zarządzania w czasie rzeczywistym całym oprzyrządowaniem kontrolno-pomiarowym. W jego skład wchodzi ponad 500 urządzeń, z których ponad połowa została rozmieszczona na 15 różnych platformach. Urządzenia połączone zostały w sieciach wielopunktowych, co wpłynęło na obniżenie kosztów okablowania i instalacji. Pozostałe przyrządy, z których dane były szczególnie ważne, podłączono bezpośrednio (sieć punkt-punkt) z urządzeniami sterującymi. Każda platforma wyposażona została w sterownik zarządzający około 50 czujnikami (temperatury, ciśnienia, przepływu). Dzięki ustawieniu trybu ciągłego wysyłania danych przez przyrządy pomiarowe, aktualne dane przesyłane są do centrum sterowania co 300ms, a cyfrowa komunikacja zapewnia wymaganą dokładność wyników pomiarów. Firma zdecydowała się na utworzenie sieci z redundancją urządzeń nadrzędnych celem zapewnienia jej bezawaryjnej pracy. Sterownik danej platformy stanowił połączenie elementów pomiarowych z systemem zarządzania instalacją. Rezultaty wprowadzenia sieci komunikacyjnej opartej na protokole HART były bardziej niż zadowalające. Trzykrotnie obniżono koszty instalacji, 16-krotnie liczbę modułów wejściowych, a do tego uzyskano możliwość zdalnej konfiguracji przyrządów pomiarowych.

Topologia sieci

Rys. 5. Przykład topologii sieci HART

HART jest typowym protokołem typu master-slave, do tworzenia sieci wykorzystywana jest skrętka dwużyłowa. Komunikacja jest scentralizowana i odbywa się na żądanie pomiędzy kontrolerem a jednym z urządzeń podrzędnych. Najczęściej spotykaną topologią sieci HART jest wersja punkt-punkt zawierająca jedno urządzenie typu master i jeden przyrząd pomiarowy typu slave.

Funkcję urządzenia nadrzędnego pełnić może np. rozproszony system sterowania (DCS), sterownik programowalny PLC albo komputer przemysłowy. Zdarza się, że sieć typu punkt-punkt nie ma na stałe podłączonego urządzenia master – np. gdy użytkownik chce transmitować wyłącznie sygnał analogowy.

Z drugiej strony użytkownik może świadomie zrezygnować z wykorzystania sygnału analogowego i stosować tylko na cyfrową wymianę danych. W takim przypadku możliwe jest podłączenie wielu urządzeń pomiarowych równolegle do jednej sieci. Jest to topologia wielopunktowa. Kontroler może komunikować się z każdym urządzeniem podrzędnym z osobna.

Wartość prądu płynącego przez linię transmisyjną jest wtedy sumą odwzorowanych wartości mierzonych przez czujniki. Taka informacja byłaby kompletnie bezużyteczna, dlatego w sieci wielopunktowej wymaga się, aby każdemu urządzeniu podpiętemu do niej nadać adres. Dzięki temu urządzenie nadrzędne może w dowolnej chwili jednoznacznie wskazać z którym z urządzeń podrzędnych będzie się komunikowało.

Rys. 6. Mozliwe topologie sieci WirelessHART

Do sieci wielopunktowej można podłączyć terminal przenośny – tzw. secondary master. Liczba podłączonych urządzeń pomiarowych jest teoretycznie rzecz biorąc nieograniczona, jednak w praktyce, w celu uniknięcia dużych zakłóceń na linii, nie stosuje się więcej, niż 15 węzłów. Jeśli sieć jest częścią dużej struktury wyposażonej we wzmacniacze, możliwe jest zastosowanie większej liczby urządzeń pomiarowych.

Po utworzeniu sieć nie wymaga dodatkowej konfiguracji, a dodatkowe urządzenia mogą być również łatwo dołączane w trakcie działania sieci. Warto dodać, że w wielu zakładach przemysłowych można spotkać nowoczesne czujniki inteligentne podłączone do starych instalacji 4÷20mA, które zawierają sterowniki i interfejsy niezdolne do odczytu danych cyfrowych protokołu HART.

W takich przypadkach nie korzysta się z pełniej ich funkcjonalności, niemniej wiele firm niechętnie rozbudowuje lub wymienia sprawdzone systemy sterowania, co motywowane jest wysokimi kosztami i skomplikowaną procedurą takiej operacji. Istnieje jednak możliwość wykorzystania wszystkich możliwości przyrządów pomiarowych z interfejsem HART poprzez zastosowanie odpowiedniego konwertera, który włączony zostaje równolegle do pętli prądowej 4-20mA. W ten sposób będzie on odbierał cyfrowe dane, odczytywał informacje, konwertował je i każdą z nich kierował do oddzielnego kanału analogowego, który podłączany jest do systemu sterowania jako osobne wejście.

HART Communication Foundation HCF jest niezależną, niekomercyjną organizacją zajmującą się promowaniem i rozwojem protokołu HART. Opracowuje ona jego nowe wersje, organizuje szkolenia oraz służy pomocą związaną we wdrożeniach. Organizacja istnieje od 1993 roku i jest ona wspierana przez szereg producentów aparatury kontrolno-pomiarowej.

Szósta wersja protokołu

Protokół HART daje możliwość adresowania urządzeń na dwa sposoby – starszy, wykorzystujący 4 bity, oraz nowszy, gdzie adresem jest aż 38 bitów. Obecnie do komunikacji stosowane są obie metody równocześnie, dzięki czemu urządzenia starsze, adresowane 4 bitami i zaliczane do urządzeń HART czwartej wersji protokołu mogą bez problemu współpracować w jednej sieci z nowszymi przyrządami piątej wersji protokołu.

Od kilku lat dostępna jest jeszcze nowsza, bo szósta już wersja HART. Nie różni się ona sposobem adresowania, ale za to wprowadza szereg innych, wartych uwagi zmian, które mają wpływ na funkcjonalność protokołu. Jedną z nich jest mechanizm umożliwiający uzyskanie przez aplikację nadrzędną informacji o liczbie i rodzaju zmiennych procesowych danego przyrządu pomiarowego. Wprowadzono również dodatkowy bajt w polu statusu i możliwość nadawania identyfikatorów urządzeń o długości maksymalnie 32 znaków.

Nową, bardzo praktyczną funkcją jest mechanizm śledzenia zmian konfiguracji dokonanych na danym przyrządzie. Przydatny jest on szczególnie do dokumentacji oraz korekty przypadkowych zmian. Interesującą zmianą jest też możliwość „podsłuchu” przez urządzenia podrzędne komunikatów w sieci przesyłanych danych.

Dzięki temu mogą one, przy odpowiednim zaprogramowaniu, korzystać z danych przesyłanych do innych urządzeń i wykorzystać je np. do własnych obliczeń czy ustawień. Kolejnym dodatkiem do protokołu jest zastosowanie koncepcji gotowego zestawu komend i statusów wspólnych dla danego typu urządzeń. Ponadto wprowadzone zostały nowe komendy typu common practice (patrz ramka), które służą do kalibracji przetworników. Oba te udogodnienia mają za zadanie zmniejszenie nakładów pracy na tworzenie plików DDL.

HART 6 daje również możliwość blokady panelu interfejsu użytkownika danego urządzenia, np. na czas zdalnej konfiguracji przyrządu. Pozwala na wymuszanie wartości danej zmiennej procesowej, która ma być zastosowana w razie przeprowadzania konserwacji lub diagnostyki urządzenia oraz zawiera bardziej dopracowany mechanizm przesyłu dużej ilości danych pomiędzy urządzeniem nadrzędnym a podrzędnym.