КИПиА

Промышленная автоматизация

ИБП

Источники бесперебойного питания

Hart - протокол первичной связи

ПродукцияОборудование Emerson Process ManagementАксессуарыHart - протокол первичной связи

Hart - протокол первичной связи

Интеллектуальные устройства

Термин "интеллектуальные" для первичных устройств был введен для тех первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор. Обычно это добавляет новые функциональные возможности, которых не было в аналогичных устройствах без микропроцессора. Например, интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости. Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный расход и температуру - в весовой расход). И наконец, интеллектуальный датчик позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Наряду с усовершенствованием работы устройств, дополнительные функциональные возможности могут сократить объем обработки сигналов системой управления и приводят к тому, что набор разных приборов заменяют приборами одной модели, что дает преимущество при изготовлении и инвестициях.

Конфигураторы

Для того, чтобы заработали все эти дополнительные функции, интеллектуальному устройству обычно требуется ручной коммуникатор (панель настройки) для настройки и управления прибором. (Другой способ — встраивать все это в прибор, что обычно гораздо дороже и, кроме того, неуместно для устанавливаемых на объекте устройствах. Однако, это может подойти для более сложных приборов, монтируемых в стойке, таких как расходомеры, в этом случае местная настройка применяется в дополнении к удаленному конфигурированию.)

Цифровая связь

Прибор и коммуникатор к нему могут быть отнесены на большое расстояние друг от друга благодаря хорошо настроенной последовательной связи. Эта связь возникает по тем же двум проводам, которые уже используются для соединения первичного прибора с системой управления в центральной комнате управления. Интеллектуальные первичные устройства с HART протоколом позволяют аналоговым и цифровым сигналам сосуществовать в одной и той же паре проводов, не портя аналоговый сигнал.

Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и в то же время сохраняют совместимость и надежность аналоговых входных сигналов, которые требуются для существующих систем.

Помимо того, что цифровая связь используется для настройки и управления первичными устройствами, оказалось возможным с помощью нее считывать измеряемый параметр. Без всяких изменений эти приборы готовы для применения в цифровых системах.

Считывание измеряемого параметра по цифровой связи

Использование цифровой связи для считывания измеряемого параметра позволяет одному прибору обрабатывать более одного измерения. Например, расходомер позволяет вам в одном сообщении считывать весовой расход, температуру и плотность жидкости процесса, а также суммарный весовой расход. Кроме того, вы можете следить за состоянием первичного прибора каждый раз, когда производится измерение, повышая достоверность и безопасность автоматического управления.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме сохраняет точность за счет устранения процесса цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразования сигнала 4—20 мА. Однако время, затрачиваемое на передачу сообщения, добавляет лишнюю задержку (мертвое время) к измерению, которая может отрицательно повлиять на управление в быстродействующем контуре. Преимуществом HART протокола является то, что в таких ситуациях для целей управления можно по-прежнему использовать аналоговый сигнал.

Дополнительная информация

Цифровая связь позволяет вам хранить в первичных приборах дополнительную информацию и считывать ее по запросу. Датчик может хранить информацию о процессе, такую как номер тэга и описание измерения, калибровочный диапазон прибора и единицы измерения. Кроме того, он может выдавать информацию о себе самом, выступая в роли электронной "бирки". Более того, его можно использовать для хранения записей о процедурах его обслуживания, например о дате последней калибровки.

Моноканальная коммуникация.

Если измеряемая переменная считываете» в цифровой форме, аналоговый сигнал 4—20 мА больше не нужен. Поэтому вы можете подсоединить много первичных устройств к одной паре проводов, а считывать данные с датчика индивидуально. Чтобы это было возможно, каждое устройство должно иметь адрес, на который оно будет откликаться, а каждый запрос от системы управления должен содержать этот адрес как часть сообщения.

Это может значительно сократить стоимость проводки к первичным устройствам и интерфейсных электронных модулей ввода в систему управления, а также может быть удобным в следящих системах. Однако, использование циклического сканирования означает, что каждое измерение опрашивается с определенным интервалом времени. Время цикла полного опроса может оказаться слишком большим для быстродействующих контуров управления.

В режиме моноканала аналоговый выход датчика устанавливается равным 4 мА для обеспечения прибора питанием. Первичные устройства подсоединяются параллельно.

HART протокол

Чтобы эффективно применять дополнительные возможности цифровой связи для широкого диапазона различных первичных устройств, требуется коммуникационный стандарт. Этот стандарт должен содержать характеристики физической формы передачи, процедуры транзакции, структуру сообщения, формат данных, а также набор команд для выполнения требуемых функций.

HART протокол первоначально был разработан компанией Rosemount Inc. Для распространения цифровой связи компания Rosemount Inc. сделала HART протокол открытым для любого желающего его использовать. В настоящее время этот протокол поддерживается независимым некоммерческим Фондом HART Коммуникаций. За номинальную сумму можно получить полную спецификацию протокола, а если потребуется — и техническую поддержку.

HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK) для обмена данными на скорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4—20 мА, на нижнем уровне.

Каждое сообщение содержит адреса источника и назначения, а также имеет контрольную сумму для обнаружения любого искажения сообщения.

HART протокол построен по принципу главный—подчиненный. Это означает, что первичное устройство только отвечает на запросы. Но может оказаться двое главных (система управления и ручной коммуникатор, например). К одной линии моноканала можно подсоединить до 15 подчиненных устройств (в не искро-безопасных приложениях). Состояние первичного устройства передается по мере того, как каждую секунду выполняются две-три транзакции ответного сообщения.

Команды HART

Команды HART протокола разделены на три группы:

 

Универсальные Команды

Первая группа, Универсальные Команды, содержит функции, которые выполняются во всех первичных приборах. Это следующие функции:

Считать название изготовителя и тип устройства

Считать первичный параметр (PV) и единицы измерения

Считать токовый выход и процент диапазона

Считать до четырех предопределенных динамических переменных

Считать или записать 8-символьный тэг, 16-символьный описатель, дату

Считать или записать 32-символьное сообщение

Считать диапазон датчика, единицы измерения и константу времени демпфирования

Считать серийный номер чувствительного элемента и ограничения

Считать или записать номер последней сборки

Записать адрес в моноканале

 

Распространенные Команды

Вторая группа, Распространенные Команды, содержит функции, которые выполняются во многих первичных приборах, но не во всех. Это следующие функции:

Считать выбор до четырех динамических переменных

Записать константу времени демпфирования

Записать диапазон датчика

Калибровать (установить ноль, задать шкалу)

Задать фиксированное значение выходного тока

Выполнить самодиагностику

Выполнить сброс

Настроить ноль первичной переменной (PV)

Записать единицы измерения первичной переменной (PV)

Настроить ноль и коэффициент усиления цифро-аналогового преобразователя

Записать функцию преобразования (квадратичная / линейная)

Записать серийный номер чувствительного элемента

Считать или записать назначения динамической переменной

 

Специфические Команды Прибора

Третья группа, Специфические Команды Прибора, содержит функции, уникальные для конкретного первичного прибора. Это следующие функции:

Считать или записать значение, отсекающее низкий расход

Старт, стоп или очистка сумматора

Считать или записать фактор плотности для калибровки

Выбрать первичную переменную (весовой расход или плотность)

Считать или записать информацию о материалах прибора

Настроить калибровку чувствительного элемента

 

Выходные устройства

Выходные устройства, такие как позиционные клапаны, двигатели с переменной скоростью и насосы, разрабатываются с учетом использования HART протокола.

Шина Fieldbus

Многие поставщики и конечные пользователи работают в комитетах международных стандартов, чтобы определить приемлемый стандарт цифровой высокоскоростной связи с первичными приборами, часто называемый "field bus". Когда завершится разработка этого нового стандарта, значительно возрастут характеристики скорости обмена данными и производительности сети.

Стоит рассмотреть современные приборы как часть эволюционного развития от пневматических приборов (от 3 до 5 фунт/дюйм2), через аналоговые электронные (4-20 мА) до интеллектуальных приборов с одновременно аналоговой и цифровой связью (HART), и в конце концов до высокоскоростной исключительно цифровой связи с использованием fieldbus в будущем. Это должно рассматриваться как часть общего движения по направлению к более широкому применению цифровой связи в приборах и системах управления, в конечном итоге ведущего к полной интеграции с Управляющим Информационными Системами.

Многие из преимуществ, обещаемых в будущем появлением fieldbus, доступны уже сегодня благодаря использованию HART протокола. HART позволяет изготовителям приборов и пользователям извлекать выгоду из применения цифровой первичной связи, поддерживая совместимость с существующими системами.