2.2.2 Hart-протокол (Highway Addressable Remote Transduser)

Протокол HART розроблений фірмою Rosemount Fischer у середині 80-х років. Він займає проміжне місце між аналоговою і повністю цифровою передачею даних, оскільки він дозволяє передавати цифрову та аналогову інформацію однією лінією зв’язку. HART-протокол широко відомий як промисловий стандарт для удосконалення струмової петлі 4…20 мА до можливостей цифрової комунікації. При цьому зберігається повна сумісність і надійність існуючих аналогових ліній 4…20 мА. Для передачі цифрової інформації HART- протокол використовує принцип частотної маніпуляції.

HART побудований за принципом «ведучий/ведений», тобто віддалений пристрій відповідає на запит системи. Протокол допускає наявність двох пристроїв керування: ПК керуючої системи і комунікатора. Існує два режими роботи датчиків, що підтримують обмін даними за HART-протоколом.

Режим передачі цифрової інформації одночасно з аналоговим сигналом представлений на рис. 2.5. Зазвичай, в цьому режимі датчик працює в аналогових АСК ТП, а обмін за HART-протоколом виконується за допомогою портативного контролера – HART-комунікатора або комп’ютера. В цьому випадку можна дистанційно здійснювати повне налаштування і конфігурування датчика.

Рисунок 2.5 – Обмін даними через HART-протокол

У багатоточковому режимі датчик передає і отримує інформацію тільки у цифровому вигляді. Аналоговий вихід автоматично фіксується на мінімальному значенні 4 мА (тільки для живлення пристрою) і не містить інформації про вимірювальну величину. Інформація про процеси, які змінюються у часі зчитується за HART- протоколом.

До одної пари дротів може бути підключено до п’ятнадцяти датчиків. У багатоточковому режимі усі прилади мають свою адресу від одного до п’ятнадцяти, і звернення до кожного з них здійснюється за відповідною адресою. Комунікатор або система керування розпізнає усі датчики, підключені до лінії, і може працювати з будь-яким із них.

У якості середовища передачі сигналу використовується кабель типу екранована вита пара. В небезпечних зонах можуть бути використані бар’єри іскробезпечності, які пропускають HART-сигнал. Для HART-протоколу максимальна довжина кабелю пов’язана з еквівалентним опором мережі і максимально допустимою ємністю системи. У табл. 2.1 представлена інформація про максимальну довжину кабелю, як функцію від числа приладів, підключених до ланцюга і питомої ємності кабелю. Максимальна довжина кабелю у багато точковому режимі наведена для перерізу струмопровідної жили 1,02 мм².

Таблиця 2.1 – Відношення довжини кабелю до числа приладів

Число приладів	Максимальна довжина кабелю, км, за питомої ємності кабелю:
	65 нФ/км	95 нФ/км	160 нФ/км	225 нФ/км
1	2,8	2,0	1,3	1,0
5	2,5	1,8	1,1	0,9
10	2,2	1,6	1,0	0,8
15	1,8	1,4	0,9	0,7

Часто аналогові АСК ТП містять у своєму складі багато інтелектуальних віддалених приладів, які працюють у режимі сумісності зі струмовою петлею 4…20 мА. У цьому випадку віддалене налаштування і конфігурація датчиків за допомогою HART-комунікатора або HART-модему потребує послідовного підключення комунікаційного пристрою до кожної лінії 4…20 мА, які, в свою чергу, підключені до відповідного пристрою. Для вирішення поставленої задачі пропонується використання HART-мультиплексора. В цьому випадку прилади продовжують передавати вимірювальну інформацію в систему через струмовий вихід 4…20 мА, а їх конфігурація може бути змінена з одного цифрового виходу системи керування. При цьому можна об’єднати в мережу біля 500 приладів (наприклад, 30 мультиплексорів, з’єднаних через RS-485, 16 каналів кожний).

Згідно семирівневої моделі взаємодія відкритих систем (модель OSI), HART- протокол реалізує наступні три рівні: фізичний, канальний і прикладний. Фізичний рівень описує характеристики сигналу і середовище передачі даних. Для передачі цифрової інформації HART-протокол використовує метод частотної маніпуляції. У режимі струму, високочастотна HART-складова накладається на аналоговий вимірювальний сигнал 4…20 мА.

Двійкові значення передаються зі швидкістю обміну даними 1200 Бод. Логічна одиниця представлена одиничним циклом гармонічного сигналу частотою 1200 Гц, а логічний нуль приблизно двома циклами частоти, тобто частотою 2200 Гц. Такий вибір частот для формування сигналу та швидкості передачі даних відповідає телефонному стандарту BELL 202 (кодування сигналу методом частотного зсуву) у напівдуплексній формі. HART-сигнал забезпечує двосторонню цифрову комунікацію. HART-протокол дозволяє системі керування отримати від віддаленого пристрою до двох-чотирьох цифрових повідомлень за секунду.

HART-повідомлення кодується як послідовність байтів, які передаються з використанням стандартного UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Універсального Асинхронного Приймача/Передавача). До кожного байта додається стартовий біт, біт парності і стоп-біт.

Це дозволяє приймаючому пристрою UART розпізнавати початок кожного символу і виявляти помилку в розрядах через завади. У HART-протоколі передбачена перевірка на парність.

Канальний рівень розділений на підрівні:

• логічний контроль зв’язку дозволяє приймати повідомлення;

• контроль доступу до середовища визначає час звернення відповідного пристрою до каналу для передачі повідомлення.

Обмін інформацією між HART-об’єктами виконується у формі кадрів. Кадр обмежений комбінацією символів преамбули та обмежувача, які визначають початок кадру, і полем лічильника байт, яке визначає кінець кадру. Всім кадрам, що передаються HART-приладами, передує визначений набір шістнадцяткових символів. Ці символи обумовлені задачами фізичного рівня для синхронізації приймача і називаються преамбулою.

Всі частини кадру, включаючи обмежувач, забезпечені подвійною перевіркою на парність: в кожному байті, що передається і контрольним байтом.

На прикладному рівні здійснюється взаємодія з користувачем. Цей рівень передбачає опис команд HART-протоколу, що використовується для роботи з первинними HART-пристроями. Існує три типи HART команд: універсальні, загальні і спеціальні.

Універсальні команди підтримують всі віддалені HART-прилади. Ці команди забезпечують інтероперабельність (здатність різних програм, систем та мереж до ефективної спільної роботи та обміну інформацією) між продуктами від різних виробників і доступ до найбільш загальної операції, однакової для всіх віддалених приладів: змінні процесу, виробник, модель і маркування.

Загальні команди представляють функції, які виконують більшість віддалених пристроїв. Ці команди є необов’язковими. Вони викликають такі дії, як зміну діапазону, вибір одиниць вимірювання і самотестування. Звичайно кількість команд, які підтримує віддалений HART-пристрій становить від дванадцяти до п’ятнадцяти загальних команд.

Спеціальні команди різні для кожного приладу, вони представляють унікальні функції пристрою або способи доступу до даних і визначаються виробником.

Але без детального технічного опису кожного віддаленого пристрою важко створювати програмне забезпечення, яке використовує функції приладу у повному об’ємі. Цю можливість забезпечує мова опису пристрою (Device Description Language). DDL-сумісна система, яка може використовувати усі можливості пристрою, включаючи підтримку спеціальних команд. Центральна база даних усіх описів пристроїв підтримується базою HART-комунікації. Таким чином, прилади від різних виробників стають повністю сумісними.