Zygmunt KUBIAK SIEĆ MIEJSCOWA HART W SYSTEMACH

Sieci miejscowe, protokół HART,
modulacja FSK, systemy telemechaniki
Zygmunt KUBIAK∗
SIEĆ MIEJSCOWA HART W SYSTEMACH TELEMECHANIKI
Sieć miejscowa (ang. fieldbus) HART została opracowana w firmie Rosemount dla najniŜszego poziomu w
hierarchicznej architekturze systemu telemechaniki. HART stanowi sposób dodatkowego wykorzystania
istniejących instalacji analogowych. Tworzy rozszerzenie przemysłowego standardu 4-20mA o cyfrową
komunikację z mikroprocesorowymi układami wejścia/wyjścia. Organizację sieci porównano z modelem OSI.
Omówiono warstwę fizyczną, warstwę łącza danych i warstwę aplikacji. Przedstawiono rozwiązanie
uniwersalnego modułu master HART.
1. HART A DWUPRZEWODOWY STANDARD ANALOGOWY
W systemach telemechaniki dla realizacji zdalnych pomiarów i sterowań analogowych
(przy odległościach do 3000m) dotychczas stosowany jest głównie standard prądowy 420mA. W standardzie tym, prąd w przedziale 4-20mA zmienia się proporcjonalnie do
zmiennej procesowej, tzn. wartość 4mA odpowiada kalibracji dla dolnego zakresu zmiennej
(0%) a 20mA - górnemu zakresowi zmiennej (100%). Przesunięcie początkowej wartości
prądu o 4mA umoŜliwia zasilanie oddalonego układu wejścia (wyjścia) i dlatego do
połączenia układów wystarcza linia dwuprzewodowa (rys. 1).
Stacja obiektowa
systemu telemechaniki
4-20mA
24V=
PAC
+
_
Sensor
z wyj. 4-20mA
RL
Rys. 1. Dwuprzewodowa pętla prądowa 4-20mA
Fig. 1. The two-wire current loop

∗
Instytut Informatyki Politechniki Poznańskiej
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
W firmie Rosemount w roku 1986 opracowano protokół komunikacyjny HART
(Highway Addressable Remote Transducer), stanowiący zgodnie z zamysłem twórców
naturalne rozszerzenie przemysłowego standardu analogowego 4-20mA o cyfrową
komunikację z „inteligentnymi” (mikroprocesorowymi) układami wejścia/wyjścia.
Wspomniany standard ma juŜ długą historię oraz bardzo duŜo aplikacji w przemyśle i
pomimo rozwoju technik cyfrowych pojawia się równieŜ w nowych instalacjach. Protokół
HART zachowuje kompatybilność z istniejącym systemem i stwarza uŜytkownikowi nowe
moŜliwości.
Protokół HART moŜe być uŜyty róŜnych trybach komunikacyjnych. Przewidziano
moŜliwość stosowania dwóch modułów master (pierwotny i wtórny). Wtórny master w
postaci podręcznego komunikatora moŜe być uŜyty bez zakłócania komunikacji z masterem
pierwotnym, słuŜy do monitorowania i konfigurowania pracy systemu. Oba moduły master
mają róŜne adresy, co pozwala na identyfikacje odpowiedzi modułu (modułów) slave na
rozkazy kaŜdego z nich. Najczęściej stosowanym trybem jest komunikacja cyfrowa masterslave, realizowana jednocześnie z transmisją analogową 4-20mA. Odpowiada to
konfiguracji sieciowej „punkt-punkt”. W tym przypadku moŜna wyróŜnić dwa węzły
analogowe i dwa węzły cyfrowe. Protokół HART moŜe być teŜ uŜyty w konfiguracji
„wielopunkt” zrealizowany na magistrali, ale wtedy mogą występować wyłącznie węzły
cyfrowe. Opcjonalnym trybem komunikacyjnym jest „burst”, w którym pojedynczy moduł
slave cyklicznie wysyła standardowe komunikaty. Szczelina czasowa między komunikatami
umoŜliwia modułowi master zmianę rozkazu lub trybu.
Architekturę róŜnych sieci najczęściej porównuje się z modelem odniesienia OSI. Model ten
nie uwzględnia specyfiki sieci miejscowych, które z załoŜenia są sieciami czasu
rzeczywistego, a poniewaŜ przeznaczone są do pracy w warunkach przemysłowych muszą
charakteryzować się zwiększoną odpornością na zakłócenia. RóŜnice dotyczą teŜ fizycznych
środków łączności i topologii sieci. Przy uwzględnieniu tych róŜnic model OSI stanowi
uŜyteczną bazę odniesienia. Sieć HART stosuje tylko trzy warstwy, 1, 2 i 7. (tab. 1).
Model OSI
Sieć miejscowa HART
7
Warstwa aplikacji
Instrukcje
6
Warstwa prezentacji
5
Warstwa sesji
4
Warstwa transportowa
3
Warstwa sieciowa
2
Warstwa łącza danych
Reguły protokołu HART
1
Warstwa fizyczna
Bell 202
Tab. 1. Porównanie modelu odniesienia OSI z siecią miejscową HART
Tab. 1. Fieldbus HART and OSI reference model
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
2. WARSTWA FIZYCZNA
Warstwa fizyczna dotyczy technicznych aspektów przesyłania danych w postaci
strumienia bitów. HART wykorzystuje modulację FSK (ang. Frequency Shift Keying).
Przyjęto standard Bell 202. Jest to metoda kluczowania częstotliwości z fazą ciągłą: jeden
cykl 1200Hz reprezentuje binarne 1, natomiast dwa cykle 2200Hz - binarne 0 (rys.2).
Pozwala to na uniknięcie, tzw. zniekształceń włączeniowych.
+0,5mA
Sygnał
analogowy
−0,5mA
1200Hz
„1”
2200Hz
„0”
Rys.2. Modulacja FSK - sposób transmisji sygnałów cyfrowych w sieci HART
Fig. 2. HART transmision of digital signals
Szybkość transmisji wynosi 1200 bodów. Standard Bell 202 opracowano w USA dla potrzeb
transmisji cyfrowej w sieci telefonicznej. Powstało szereg modemów scalonych dla tego
standardu. Najbardziej popularne to SYM20C15 z firmy Symbios Logic, HT20C12 z SMAR
Reasearch Corp. oraz FX614 z CML Semiconductor Products. Budowa tych modemów jest
bardzo zbliŜona. Schemat blokowy FX614 przedstawiono na rys.3. MoŜna wyróŜnić na nim
trzy podstawowe fragmenty funkcjonalne: filtry wejściowe i wyjściowe wraz z układami
formującymi (styk z linią), modulator/demodulator FSK, szeregowy styk do współpracy z
mikroprocesorem. SYM20C15 i HT20C12 są układami wyłącznie cyfrowymi, tzn. nie
zawierają filtrów wejściowych i wyjściowych.
RXEQ
M1
M0
RXFB
RXIN
Układ
wyboru trybu
_
+
VBIA
TXOP
FX614
Detektor
sygnału
Filtr pasmowy i
dyskryminator
Demodulator
FSK
Formujący
układ nadawczy
Modulator
FSK
DET
Układ
interfejsu
szeregowego
RXD
CLK
RDYN
TXD
Rys. 3. Schemat blokowy modemu FX614
Fig. 3. FX614 modem block diagram
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
Modulator dokonuje syntezy przebiegów prostokątnych o dwóch częstotliwościach, zgodnie
z zasadą FSK. Sygnał te jest następnie kształtowany w celu ograniczenia pasma. Funkcja
demodulatora jest odwrotna. Styk z linią realizuje analogowa część modemu (rys. 4). W
przykładzie pokazano rozwiązanie z transformatorową separacją galwaniczną. W
uproszczonych układach styku stosuje się tylko oddzielenie składowej stałej przy pomocy
kondensatora o pojemności większej niŜ 5µF.
C5
+
A1
-
Z
Linia
1:1
R2
+
0V
R4
RXIN
C6
R7
R5
C7
RXFB
R6
R3
-
A2
+
TXOP
VBIAS
Rys. 4. Obwód styku z liną
Fig. 4. Line interface circuit
Wzmacniacz A2 wraz z elementami R6 (100kΩ) i C7 (330pF) tworzy filtr wyjściowy, który
kształtuje przebieg prostokątny z modulatora FSK na sygnał wyjściowy zbliŜony do
sinusoidalnego (rys. 2). Rezystor R3 określa poziom sygnału w linii. Idealnym sygnałem
wyjściowym jest przebieg sinusoidalny. Pełna specyfikacja HART dopuszcza równieŜ
kształt trapezoidalny. Dopuszczalne poziomy sygnałów w sieci HART podano w tab. 2.
ObciąŜenie magistrali wprowadzane przez układy slave jest nieznaczne poniewaŜ minimalna
rezystancja wejściowa slave wynosi 100kΩ, a maksymalna pojemność bocznikująca nie
przekracza 5nF. Zakłada się, Ŝe rezystancja wejściowa pierwotnego układu master, łącznie z
rezystancją obciąŜenia pętli zawiera się w przedziale 230..1100Ω. Maksymalna impedancja
nadajnika master wynosi 700Ω i nie moŜe być większa od impedancji obciąŜenia (przy
odbiorze).
Master - sygnał nadawany (wyjściowy)
min 400mV p-p.
max 600mV p-p.
Slave - sygnał nadawany (wyjściowy)
min 0,8mA p-p., tzn. 184mV dla obc. 230Ω
max 1,2mA p-p., tzn 1320mV dla obc. 1100Ω
Czułość odbiornika
Poziom wyłączenia odbiornika
120mV do 2,0V p-p.
80mV p-p.
Tab. 2. Poziomy sygnałów HART
Tab. 2. HART signal levels
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
Sieć HART moŜe pracować w konfiguracji „punkt-punkt” (pojedynczy układ slave o
adresie 0) albo „wielopunkt” zrealizowany na magistrali dwu- lub trzyprzewodowej.
Pierwszy sposób stosowany jest wspólnie z transmisją analogową 4-20mA. Pasmo sygnału
analogowego ograniczone jest do 25Hz. W drugim przypadku, w którym dopuszczona jest
tylko transmisja cyfrowa, do sieci moŜe być dołączonych maksymalnie 15 modułów. KaŜdy
z nich musi mieć inny adres; dla pierwotnego master’a zarezerwowany jest adres 1, a dla
wtórnego - 0. Moduły slave przełączone zostają do trybu stałego obciąŜenia prądem 4mA
(instrukcja #6). Łączna wartość prądu wynosi n ⋅ 4mA , gdzie n jest liczbą modułów. Chcąc
korzystać z zasilania 24V, naleŜy odpowiednio ograniczyć rezystancję obciąŜenia RL . Dolne
ograniczenie wartości rezystancji obciąŜenia RL wynika z załoŜonej czułości odbiorników, a
górne - z przyjętej wartości napięcia zasilania.
W sieci zawierającej rezystancje i pojemności występuje tłumienie i opóźnianie
sygnałów. Określono górny limit stałej czasowej RC = 65µs. Wartość ta, która zaleŜy od
parametrów kabla i dołączonych do sieci modułów, wpływa na ograniczenie długości kabla.
W przypadku wielokrotnej, dwuprzewodowej skrętki, całość w ekranie długość linii nie
przekracza 1500m, a przypadku pojedynczej skrętki - 3000m. PoniŜsze równanie pozwala na
oszacowanie maksymalnej długości linii.
l=
(
)
C f + 10000
65 ⋅ 10 6
−
( R ⋅ C)
C
(1)
gdzie
długość w metrach, R
rezystancja obciąŜenia w omach,
pojemność kabla w pF/m., C f maksymalna wewnętrzna pojemność
wszystkich dołączonych do sieci modułów w pF.
l
C
3. WARSTWA ŁĄCZA DANYCH
Warstwa łącza danych dotyczy procedury transakcji, kodowania znaków i struktury
komunikatów protokołu HART. HART jest protokołem typu master-slave. Jedna ze stacji
jest wyróŜniona i pełni rolę zarządcy (ang. master), pozostałe są podległe (ang. slaves).
Master posiada pełną listę adresów stacji dołączonych do sieci i odpytuje kolejne slave,
przekazując w ten sposób zgodę na transmisję w sieci. Protokół HART dopuszcza obecność
drugiego modułu master, tzw. wtórnego, który najczęściej ma postać ręcznego monitora
lub/i konfiguratora sieci.
Wymiana informacji w sieci HART zachodzi w trybie pół dupleks; oznacza to
transmisję w dwóch kierunkach, ale w danym czasie aktywny jest tylko jeden kierunek.
Master jest odpowiedzialny za sterowanie transakcjami komunikatów. JeŜeli brak
odpowiedzi, master ponawia komunikat. Po kilku nieudanych próbach master przerywa
transakcję. Oznacza to uszkodzenie linii albo brak odpytywanego modułu slave. Po kaŜdej
kompletnej transakcji, przed wysłaniem kolejnej instrukcji, wprowadzana jest krótka
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
przerwa. W tym czasie drugi master moŜe rozpocząć swoją transakcję. Czas wymiany
informacji z jednym modułem slave wynosi około 500ms.
Szybszy dostęp do danych z modułu slave moŜna uzyskać w trybie „burst”, w którym slave
cyklicznie wysyła Ŝądane dane (3 do 4 komunikatów na sekundę). Szczelina czasowa
między poszczególnymi komunikatami umoŜliwia węzłowi master zmianę trybu.
Moduł i typ komunikatu
Niezsynchronizowany master pierwotny
wysłał instrukcję
Niezsynchronizowany master wtórny
wysłał instrukcję
Niezsynchronizowany slave w trybie „burst”
Zsynchronizowany master wysłał
instrukcję
Odpowiedź slave na instrukcję master’a
Zsynchronizowany slave w trybie „burst”
Czas przerwy
≥ 305ms
≥ 380ms
≥ 305ms
20 - 75ms
≥ 75ms
0 - 256ms
75 - 256ms
0 - 20ms
Po ciągłej ciszy na magistrali
Po odpowiedzi dla drugiego master’a
Po odpowiedzi na swoją instrukcję
po odczytaniu instrukcji
po poprzednim komunikacie
po instrukcji „wejście w tryb burst”
Tab. 3. Zestawienie zaleŜności czasowych
Tab. 3. Summary of timing rules
Strumień bitów komunikatu HART dzielony jest na bajty (8 bitowe znaki), z których kaŜdy
jest kodowany zgodnie z regułami stosowanymi w układach UART: 1 bit startu, 8 bitów
danych, 1 bit parzystości i 1 bit stopu.
0
D0
D1
D2
Bit
startu
D3
D4
D5
D6
8 bitów danych
D7
P
1
Bit
Bit
parzystości stopu
Rys. 5. Format znaku
Fig. 5. Character format
Struktura komunikatu HART przedstawiona została na rys. 6.
Wstêp
SC
AD
CD
BC
[Status]
[Dane]
CHK
Suma kontrolna (1bajt)
Liczba bajtów pól Dane + Status (1 bajt)
Instrukcja HART (1 bajt)
Adres źródła i celu (1 lub 8 bajtów)
Znak startu komunikatu (1 bajt)
Rys. 6. Struktura komunikatu HART
Fig. 6. The HART message structure
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
Komunikat rozpoczyna się wstępem, którego długość wynosi 5 lub 20 bajtów (przy braku
synchronizacji); same znaki FFH. Specyfikacja HART przewiduje dwa rodzaje formatu
ramki: krótki i długi. Formaty róŜnią się polem adresu. Znak startu (pole SC) słuŜy do
rozróŜnienia kierunku transmisji (M S lub S M), zaznaczenia czy ramka została
wygenerowana w trybie cyklicznego generowania odpowiedzi przez moduł slave (ang.
burst) oraz określenia formatu ramki. Adres dla formatu krótkiego ma długość 1 bajtu.
Najstarszy bit jest adresem master’a („1” - pierwotny, „0” - wtórny). Kolejny bit BM słuŜy
do przełączania slave z/do trybu „burst”. Następne dwa bity są zerami, a cztery ostatnie to
pole adresu slave. Adres ramki długiej definiuje dwa pierwsze bity jak wyŜej. Pozostałe
sześć bitów oznacza producenta. Drugi bajt określa typ urządzenia. Dalsze sześć bajtów to
unikatowy numer modułu slave. Pole statusu (2 bajty) występuje opcjonalnie w odpowiedzi
modułu slave i dotyczy jego stanu. Pole danych moŜe zawierać 0 - 25 bajtów, a treść jest
zdefiniowana w polu instrukcji.
4. WARSTWA APLIKACJI
Warstwa aplikacji dotyczy bezpośredniego świadczenia usług uŜytkownikowi. W
przypadku sieci miejscowych oznacza to wysłanie rozkazów według określonego
scenariusza, w celu pozyskiwania informacji z nadzorowanego obiektu i realizacji
wymaganych sterowań. Zadania te są realizowane za pośrednictwem dostępnych w HART
instrukcji o numerach z zakresu 0-255. Numery 31, 127, 254 i 255 są zarezerwowane, np.
„254” stanowi mechanizm rozszerzenia, jeśli w przyszłości będzie potrzebna większa liczba
instrukcji. Wszystkie instrukcje zostały rozdzielone na trzy klasy: uniwersalne, praktyczne,
specyficzne (tab. 4). Ostatnia grupa instrukcji dotyczy obsługi specyficznych parametrów
przewidzianych przez producenta danego urządzenia.
Klasa instrukcji
Instrukcje uniwersalne (0-30)
Instrukcje praktyczne (32-126)
Instrukcje specyficzne (128-253)
Funkcja
Odczyt pomiarów
Odczyt uniwersalnych informacji (np. numer seryjny)
Zapis standardowych parametrów (np. skala, wzmocnienie)
Zapis szczegółowych parametrów
Odczyt parametrów specyficznych dla danego urządzenia
Odczyt i zapis bazy danych
Tab. 4. Klasy instrukcji i funkcje
Tab. 4. Classes of instrukction and functions
5. STEROWNIK MASTER SIECI HART
Obok rozwiązań sieci HART omówionych wcześniej, pojawiły się zastosowania
protokołu HART z wykorzystaniem standardu RS485 (warstwa fizyczna). W tym przypadku
nie stosuje się modulacji FSK. Sieć zachowuje konfigurację magistrali. Przy dopasowaniu
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
linii moŜna uzyskać szybkości transmisji do 38400 b/s. Dla tej metody podane wcześniej
zaleŜności czasowe ulegają zmianie. Jak na razie tryb ten nie został przyjęty przez HCF
(HART Communication Foundation). Schemat blokowy opracowanego sterownika master
magistrali HART, uwzględniającego równieŜ wyŜej wspomniany tryb pracy,
przystosowanego do współpracy ze sterownikiem PLC typu MELSEC FX firmy Mitsubishi,
pokazano na rys. 7. Moduł moŜe pracować w następujących opcjach (modyfikacji podlega
układ styku z magistralą):
• nadajnik z wyjściem prądowym 4 - 20mA,
• odbiornik z wejściem prądowym 4 - 20mA,
• nadajnik 4 -20mA + master HART (konfiguracja „punkt-punkt”),
• odbiornik 4 - 20mA + master HART (konfiguracja „punkt-punkt”),
• master HART (z modulacją FSK, konfiguracja „wielopunkt”),
• master HART (bez modulacji FSK, magistrala RS485).
MODUŁ
HART-MASTER
ADM485
RS485
R/T
RS485
AD421
+
Układ
pętla styku
z
magistr
.
BOOST
C3
LOOP
RTN
RxD
IRXA
Mikrokontroler DSR
Modem
HART
P
L
C
TxD
DTR
AD7893
PAC
RS422
2∗
ADM488
AT89C4051
OTXA
VIN
+24V
-24V
HT20C12
FP
PCA
FDP
UK
Separacja
galwaniczna
DC/DC
+5V
+5Vs
DC/DC
Rys. 7. Sterownik master HART
Fig. 7. HART-master controller
Sterownik nadrzędny w sieci master-slave pełni szczególną rolę. Jest centralnym układem,
który realizuje wymianę informacji między poszczególnymi punktami we/wy (za
pośrednictwem modułów slave) a wyŜszym poziomem sterowania, w tym przypadku
sterownikiem PLC. Zasady komunikacji między sterownikiem HART-master a PLC
wynikają z cyklu sterownika PLC i przyjętych zasad wymiany informacji na styku
szeregowym RS422 [3]. Cykl składa się: z operacji wejściowej (zapamiętanie stanu wejść w
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
pamięci obrazu wejść), skanowania programu, który kończy się instrukcją END, operacji
wyjściowej (przepisanie pamięci obrazu wyjść na wyjścia fizyczne) oraz testowania i
obsługi styku szeregowego. Dlatego teŜ dostęp do styku szeregowego jest moŜliwy z
opóźnieniem nie przekraczającym czasu trwania 1 cyklu sterownika PLC. Na rysunku
pokazano pełną konfigurację modułu. Dla niektórych z wymienionych wyŜej opcji część
elementów jest zbędna.
Modulacja prądu analogowego 4-20mA sygnałem HART (±0,5mA) dla konfiguracji „punktpunkt”, oraz prądu n ⋅ 4mA - dla konfiguracji „wielopunkt”, została zrealizowana przy
wykorzystaniu cech przetwornika PCA typu AD421. Jest to programowalny przetwornik
napięcie-prąd (4-20mA) o 16-bitowej rozdzielczości i monotoniczności, w pełni
kompatybilny ze standardem HART. Na rys. 8 pokazano stopień wyjściowy tego układu. Od
strony wyjścia jest to źródło prądowe (bardzo duŜa rezystancja). Architektura układu
pozwala (po stronie napięciowej) na zsumowanie napięcia wyjściowego z przetwornika CA
z odpowiednio stłumionym na dzielniku pojemnościowym C3, CC, sygnałem napięciowym z
wyjścia modulatora HART. Napięciu w pkt. C3 o wartości 10mV odpowiada prąd
wyjściowy 0,5mA, stąd wartość pojemności CC moŜna wyznaczyć ze wzoru (3).
CC
2 ⋅10 −2
=
,
UH
C3 + CC
(2)
2 ⋅10 −2 ⋅ C3
,
CC =
U H − 2 ⋅10 −2
(3)
gdzie
U H - napięcie p-p na wyjściu modulatora HART w V.
AD421
AC
Sigma-Delta
4kΩ
12,5kΩ
40kΩ
80kΩ
BOOS
T
−
+
40Ω
C1
C1
10nF
C2
LOOP
RTN
C3
C2
0,5µF
C3
0,16µF
CC
Pętla
prądowa (-)
Z wyjścia
modulatora HART
Rys. 8. Obwód konwertera napięcie-prąd układu AD421
Fig. 8. AD421 current control circuitry
4. ZAKOŃCZENIE
Sieć HART pozwala na zmodernizowanie i rozszerzenie moŜliwości, istniejących w
systemach telemechaniki, instalacji analogowych pracujących w standardzie 4-20mA.
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
Specyfikacja HART dopuszcza równieŜ standard napięciowy 1-5V, w tym przypadku spada
jednak maksymalny zasięg do około 300m. Zastosowana modulacja FSK (Bell 202) daje
proste rozwiązanie problemów transmisji sygnałów w komutowanej sieci telefonicznej a
takŜe w sieci radiotelefonicznej. Stosunkowo długi czas dostępu do węzłów sieci (ok.
500ms) nie stanowi ograniczenia w sensie czasu rzeczywistego przy sterowaniu i pomiarze
takich parametrów jak przepływ, poziom, ciśnienie, temperatura, wilgotność, pH itp. Bardzo
wiele aplikacji protokołu HART spotyka się w przemyśle chemicznym.
Rozbudowana ramka zapewnia transmisję do 25 bajtów danych. DuŜa liczba zdefiniowanych instrukcji daje uŜytkownikowi bogate moŜliwości aplikacyjne, np. instrukcja #33
stanowi Ŝądanie przesłania wartości dowolnych czterech spośród 250 zmiennych.
Rozszerzone pole adresowe moŜe zawierać pełne informacje o producencie oraz unikatowy
numer kaŜdego urządzenia. Są to tylko niektóre wybrane cechy protokołu. HART
przewiduje obszerną listę instrukcji (do 253), która w razie potrzeby moŜe ulec
powiększeniu (instrukcja ‘254’). Grupa instrukcji specyficznych pozwala producentom
urządzeń we/wy, które są wyposaŜone w sterowniki HART, na uwzględnienie
indywidualnych cech swoich produktów.
Dla projektantów systemów HART istotne są równieŜ narzędzia programowe. Opracowany
został język DDL (Device Description Language). Takie podejście upraszcza wiele
problemów przy wdraŜaniu projektu, znacznie skraca czas jego zakończenia. DDL oparty
jest na języku C. Główne typy obiektów DDL to: VARIABLE, COMMAND, MENU,
EDIT_DISPLAY i METHOD. Przykładowo obiekt typu COMMAND posiada następujące
atrybuty: name (dla odniesień zewnętrznych), NUMBER (numer instrukcji HART),
OPERATION (READ, WRITE lub COMMAND), TRANSACTION REQUEST (dane
włączane do rozkazu, TRANSACTION REPLY (dane włączane do odpowiedzi) oraz
RESPONSE_CODES (lista ustawień: wartość, typ, opis, pomoc).
LITERATURA
[1] Bowden R.: HART Field Communication Protocol. A Technical Overview, Fisher-Rosemount Ltd. 1998.
[2] Designers’ Reference Manual, Analog Devices 1998.
[3] Kubiak Z.: Moduł nadrzędny sieci ASI współpracujący ze sterownikiem PLC typu MELSEC FX, Materiały IV
KNT Systemy Czasu Rzeczywistego ’98, OWPW, Wrocław, 1998, s.199-207.
[4] Zydorowicz T.: PC i sieci komputerowe, PLJ, Warszawa 1993.
[5] Baran Z. (red.): Problemy transmisji danych, WKiŁ, Warszawa, 1979.
[6] http://www.ccsi.com/hart
HART FIELDBUS IN REMOTE CONTROL SYSTEMS
The HART fieldbus was developed by Rosemount Inc. for the lowest level in hierarchical structure of remote
control system. HART exemplifies a way of additional use of existing analogue installations. It extends the industrial
standard 4-20mA with digital communication with smart sensors and actuators. The structure of the network is
compared with OSI reference model. This paper discusses the physical layer, the data link layer and the application
layer. The solution is presented for the universal master HART module.
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290
Kubiak Z.: Sieć miejscowa Hart w systemach telemechaniki. Mat. Konferencyjne „Systemy Czasu Rzeczywistego ’99. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999, s 281 - 290