HART - sposób na pomiary przemysłowe

W artykule dokonano przeglądu technologii HART – protokołu, który pozwala na wymianę danych i kalibrację przyrządów w systemach pomiarowych. Opisane zostały również nowe wersje standardu – szósta, oraz opublikowana jesienią zeszłego roku wersja siódma, WirelessHART, która określa protokół komunikacji w sieciach bezprzewodowych.

HART, czyli Highway Addressable Remote Transducer, to otwarty przemysłowy protokół komunikacyjny opracowany przez firmę Fisher Rosemount w drugiej połowie lat 80. ubiegłego wieku. Pierwotnie przeznaczony był do wymiany informacji z inteligentnymi urządzeniami pomiarowymi tej firmy. Mało kto wówczas przypuszczał, że ten dedykowany, specjalizowany pod kątem produktów danej marki protokół stanie się w kolejnych latach ogólnoświatowym otwartym standardem komunikacji przemysłowej.

Trudno było też przewidzieć, że protokół ten będzie implementowany przez ponad 100 producentów w 560 najróżniejszych urządzeniach pomiarowych, poczynając od zwykłych czujników temperatury, a na wysublimowanych detektorach gazu kończąc. Swego czasu wielu specjalistów z zakresu komunikacji przemysłowej zwiastowało szybki koniec kariery tego protokołu. Sądzono, że jego warstwa fizyczna zostanie wchłonięta przez inne protokoły przemysłowe. Tak się jednak nie stało, a kolejne prognozy na najbliższe lata zapowiadają kilkuprocentowy roczny wzrost zastosowań komunikacji opartej o HART. Można więc zakładać że obecna liczba wdrożeń tej technologii, która waha się w granicach 4 milionów, istotnie wzrośnie.

Protokół, datagramy i komendy

HART jest protokołem typu master-slave, co oznacza, że przyrząd podrzędny (slave) wysyła dane tylko na żądanie urządzenia nadrzędnego (primary lub secondary master). Rozkaz wysłany przez urządzenie nadrzędne i odpowiedź tworzą transakcję. W czasie gdy jedno z urządzeń w sieci HART wysyła dane, pozostałe przechodzą w stan odbioru. Pomiędzy kolejnymi transakcjami mogą istnieć okresy ciszy.

Aby rozróżnić między sobą urządzenia typu slave podłączone do jednej linii stosuje się unikalne adresowanie. Urządzenie nadrzędne, wysyłając rozkaz, precyzuje którego odbiorcy ma on dotyczyć. Przy odpowiedzi slave również umieszcza w wiadomości własny adres. Udogodnieniem jest to, że master może odwoływać się do konkretnego urządzenia podrzędnego nie używając jego adresu, lecz identyfikatora nadawanego przez użytkownika.

Datagram

Każdy datagram protokołu HART ma rozmiar od 10 do 30 bajtów i zawiera informacje, które zestawione zostały w tabeli 1. Każda wiadomość zaczyna się od nagłówka i kończy bajtem sumy kontrolnej. Dopuszcza się zróżnicowanie długości nagłówka w zależności od wymagań urządzenia podrzędnego. Urządzenie nadrzędne stosuje najdłuższy możliwy nagłówek tylko przy pierwszej wymianie danych, od tego momentu działa zgodnie z wymaganiami urządzenia podrzędnego. Im dłuższy jest nagłówek wiadomości, tym wolniejsza komunikacja ponieważ do przesłania określonej porcji danych potrzeba więcej czasu. Z tego powodu obecnie przyrządy do komunikacji za pomocą protokołu HART konstruuje się tak, że wymagają one zaledwie 5-bajtowego nagłówka i nie ma potrzeby odpytywania urządzeń w celu uzyskania informacji o jego rozmiarze.

Pole statusu wykorzystywane jest tylko w wiadomościach wysyłanych przez urządzenia podrzędne i zawiera kod błędu. Dzięki temu przekazana zostaje informacja dlaczego urządzenie podrzędne nie mogło wykonać danego rozkazu. Możliwe są następujące przyczyny:

nastąpił błąd transmisji wiadomości – urządzenie nie mogło odczytać wiadomości,
urządzenie nie może wykonać rozkazu (nieznany rozkaz),
urządzenie jest aktualnie zajęte,
rozkaz nie może być wykonany, gdyż urządzenie nie ma odpowiednich uprawnień,
otrzymany rozkaz zmiany parametrów został odrzucony ze względu na aktywną blokadę zmiany parametrów.

Suma kontrolna dodawana na końcu służy detekcji błędów transmisji, a jej wartość jest wynikiem funkcji logicznej XOR wykonanej na wszystkich bajtach datagramu. Razem z kontrolą parzystości dla każdego bajtu stanowi ona zabezpieczenie przed błędami w transmisji. Ewentualna niezgodność odebranych danych powoduje ponowienie transmisji.

Komendy

Rozkazy protokołu HART można podzielić na trzy grupy. Pierwszą z nich stanowi grupa komend uniwersalnych (universal commands). Są to rozkazy, które implementuje się w każdym urządzeniu, dzięki czemu możliwa jest współpraca dwóch dowolnych urządzeń z HART pochodzących od różnych producentów. Pozwalają one w szczególności na odczytanie i zapisanie numeru seryjnego urządzenia, jego identyfikatora, zakresu pomiarowego, zmiennych procesowych, deskryptora i innych.

Drugą grupę stanowią tzw. rozkazy powszechnie stosowane (common practice commands). Są one implementowane w większości, ale nie we wszystkich urządzeniach i zapewniają obsługę często wykorzystywanych funkcji. Ostatnią grupą jest zestaw komend specjalnych charakterystycznych dla danego urządzenia (device specific commands). Inne rozkazy specjalne będą więc implementowane np. w czujnikach temperatury, inne w detektorach gazu.

Wiele zastosowań dla HART

Na świecie wykorzystuje się ponad 25 mln urządzeń pomiarowych i kontrolnych komunikujących się z wykorzystaniem protokołu HART. Umożliwia on zdalną konfigurację i diagnostykę przyrządów, co jest nieocenionym ułatwieniem pracy inżyniera w dowolnym zakładzie przemysłowym, w którym istnieje wiele tego typu urządzeń. HART jest najbardziej popularny wśród producentów aparatury kontrolno-pomiarowej – jest on implementowany w czujnikach do pomiarów poziomu, w sondach radarowych, przetwornikach ciśnienia, w izotopowych miernikach gęstości i poziomu, przepływomierzach i innych urządzeniach.

Rys. 1. Schemat blokowy typowego przyrządu pomiarowego z interfejsem HART

W branżach, gdzie stosuje się wiele pomiarów analitycznych, możliwość zdalnej konfiguracji i diagnostyki jest szczególnie ważna. Przykładem może być analizator tlenu, który dostarcza znacznie więcej informacji diagnostycznych (nawet 15 parametrów), niż przeciętny czujnik temperatury czy ciśnienia.

Z reguły takie analizatory zainstalowane są w miejscach trudno dostępnych lub całkowicie niedostępnych dla operatora jakimi są np. zamknięte zbiorniki i miejsca o podwyższonej temperaturze, kluczowy więc staje się zdalny dostęp do funkcji i parametrów urządzenia.

Ogniwa pomiarowe analizatorów są w bezpośrednim kontakcie z gazami procesowymi, przez co ulegają stopniowej degradacji i ich parametry zmieniają się w czasie. W efekcie czynności kalibracyjne urządzenia muszą być dokonywane częściej, niż np. w przypadku czujników poziomu.

Innym przykładem są urządzenia wyposażone w interfejs HART, które umożliwiają odczyt rezystancji ogniwa co pół godziny i ocenę jego stanu naładowania. Dzięki temu osoba nadzorująca proce jest w stanie monitorować i nadzorować kalibrację oraz diagnostykę szeregu urządzeń równocześnie. Kalibracja może też odbywać się automatycznie, a w razie awarii przyrządu, użytkownik informowany jest o wystąpieniu lub nawet rodzaju usterki.

Rozwiniecie pętli prądowej

Rys. 2. Konwencjonalna pętla prądowa

Omawiany protokół powstał jako rozwinięcie pętli prądowej 4÷20mA – analogowego interfejsu komunikacyjnego stosowanego w przemyśle od wielu lat. Zasada działania takiej pętli polega przedstawieniu wartości mierzonej zmiennej procesowej w postaci prądu pobieranego przez przyrząd.

Najczęściej zakłada się, że minimalnemu prądowi (4mA) odpowiada dolny, a maksymalnemu (20mA) górny zakres pomiarowy. Zaletą tego rozwiązania jest jednoczesna możliwość zasilania urządzenia i transmisji danych pomiarowych za pomocą linii dwuprzewodowej. Plusem jest również dobra odporność na zaburzenia elektromagnetyczne. Do wad zaliczyć można wpływ niestabilności zasilania na wynik pomiaru i możliwość przesyłania tylko jednej informacji.

Pętla pomiarowa przystosowana do transmisji zgodnej z HART wyposażona jest dodatkowo w układy modulacji i demodulacji, wzmacniacze oraz źródło napięciowe i prądowe. Pozwala to na nałożenie na sygnał stałoprądowy sygnału zmiennego o całkowitej amplitudzie 1mA. Częstotliwość sygnału zmiennego jest modulowana za pomocą kluczowania ze zmianą częstotliwości (FSK – Frequency Shift Keying).

Zmodulowana częstotliwość 1200Hz odpowiada logicznej jedynce, zaś wartość 2200Hz to logiczne zero. Jako że sygnał stałoprądowy oraz sygnał zmienny nie zakłócają się wzajemnie, mogą współistnieć na jednej linii transmisyjnej.

DDL (Device Description Language) - język opisu urządzeń

Każde urządzenie podrzędne protokołu HART może mieć swój indywidualny zestaw komend, które jest w stanie obsłużyć. Aby umożliwić komunikację z ich wykorzystaniem, podczas projektowania systemu konieczne jest utworzenie pliku DDL, który wykorzystywany będzie przez urządzenie nadrzędne. Pik ten zawiera zestandaryzowany, kompletny opis tych komend. Pliki DDL mają format tekstowy i nazwę o rozszerzeniu „.ddl”. Składają się one z instrukcji, przy czym każda z nich zaczyna się słowem kluczowym oraz nazwą. Przykład takiego pliku przedstawiono poniżej:

VARIABLE zmienna_procesowa_1
{strukturalny opis zmiennej zmienna_procesowa_1}
VARIABLE zmienna_procesowa_2
{strukturalny opis zmiennej zmienna_procesowa_2}
COMMAND komenda_1
{strukturalny opis komendy komenda_1}
MENU menu_urzadzenia
{strukturalny opis menu menu_urzadzenia}
METHOD metoda_1
{strukturalny opis metody metoda_1}

Przykładowo dla przetwornika ciśnienia plik DDL z pewnością zawierałby opis zmiennej ciśnienia (VARIABLE cisnienie), zakresu (VARIABLE zakres_gorny, VARIABLE zakres_dolny). Nie zabrakłoby również komendy odczytu zmierzonego ciśnienia (COMMAND odczyt_cisnienia) oraz sekwencji operacji potrzebnych do wykonania kalibracji (METHOD wykonaj_kalibracje). Sposób wizualizacji i dostępu do zmiennych zdefiniowany byłby w polu menu (MENU menu_przetwronika_cisnienia).