Протокол промышленной автоматизации HART: принципы и применение.
Highway Addressable Remote Transducer Protocol
Протокол HART: автоматизация промышленности, цифровая связь по аналоговым линиям 4-20 мА. Открытый протокол 7 уровня OSI для систем управления и измерений.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Протокол промышленной автоматизации
Industrial automation protocol
Протокол связи HART (Highway Addressable Remote Transducer) – это гибридный аналого-цифровой протокол открытой промышленной автоматизации. Его наиболее заметным преимуществом является возможность передачи данных по существующим аналоговым линиям тока 4–20 мА, используя ту же пару проводов, что и в аналоговых системах. HART широко применяется в системах управления технологическими процессами и приборостроения, от небольших автоматизированных приложений до сложных промышленных систем. В модели OSI HART относится к 7-му уровню – прикладной. Уровни с 3-го по 6-й не используются. При передаче по 4–20 мА используется стандарт Bell 202 для 1-го уровня, однако часто протокол преобразуется в RS485 или RS232. По данным Emerson, благодаря огромному количеству установленных систем 4–20 мА по всему миру, протокол HART является одним из самых популярных промышленных протоколов на сегодняшний день. Протокол HART стал удобным решением для пользователей, желающих сохранить совместимость с устаревшими сигналами 4–20 мА, но при этом внедрить "интеллектуальный" протокол.
The HART Communication Protocol (Highway Addressable Remote Transducer) is a hybrid analog+digital industrial automation open protocol. Its most notable advantage is that it can communicate over legacy 4–20 mA analog instrumentation current loops, sharing the pair of wires used by the analog only host systems. HART is widely used in process and instrumentation systems ranging from small automation applications up to highly sophisticated industrial applications. HART is a in the OSI model a Layer 7, Application. Layers 3–6 are not used. When sent over 4–20 mA it uses a Bell 202 for layer 1. But it is often converted to RS485 or RS232. According to Emerson, due to the huge installation base of 4–20 mA systems throughout the world, the HART Protocol is one of the most popular industrial protocols today. HART protocol has made a good transition protocol for users who wished to use the legacy 4–20 mA signals, but wanted to implement a "smart" protocol.
История
Протокол был разработан компанией Rosemount Inc. на основе раннего коммуникационного стандарта Bell 202 в середине 1980-х годов как проприетарный цифровой протокол связи для их интеллектуальных полевых приборов. Вскоре он эволюционировал в HART, а в 1986 году стал открытым протоколом. С тех пор возможности протокола постоянно расширялись благодаря последующим версиям спецификации.
The protocol was developed by Rosemount Inc., built off the Bell 202 early communications standard in the mid 1980s as a proprietary digital communication protocol for their smart field instruments. Soon it evolved into HART and in 1986 it was made an open protocol. Since then, the capabilities of the protocol have been enhanced by successive revisions to the specification.
Режимы
Существует два основных режима работы приборов HART: режим "точка-точка" (аналоговый/цифровой) и многоточечный режим.
There are two main operational modes of HART instruments: point to point (analog/digital) mode, and multi drop mode.
Точка к точке
В режиме "точка-точка" цифровые сигналы накладываются на ток 4–20 мА. И ток 4–20 мА, и цифровой сигнал являются допустимыми протоколами передачи данных между контроллером и измерительным прибором или конечным управляющим элементом. Адрес опроса прибора устанавливается в "0". На каждую пару проводов сигнала может быть подключен только один прибор. Один сигнал, как правило определяемый пользователем, назначается в качестве сигнала 4–20 мА. Остальные сигналы передаются в цифровом виде поверх сигнала 4–20 мА. Например, давление может передаваться как сигнал 4–20 мА, представляющий диапазон давлений, а температура – в цифровом виде по тем же проводам. В режиме "точка-точка" цифровую часть протокола HART можно рассматривать как разновидность цифрового интерфейса токового контура.
In point to point mode the digital signals are overlaid on the 4–20 mA loop current. Both the 4–20 mA current and the digital signal are valid signalling protocols between the controller and measuring instrument or final control element. The polling address of the instrument is set to "0". Only one instrument can be put on each instrument cable signal pair. One signal, generally specified by the user, is specified to be the 4–20 mA signal. Other signals are sent digitally on top of the 4–20 mA signal. For example, pressure can be sent as 4–20 mA, representing a range of pressures, and temperature can be sent digitally over the same wires. In point to point mode, the digital part of the HART protocol can be seen as a kind of digital current loop interface.
Многокапельная
В режиме многоточечного подключения аналоговый ток в контуре фиксируется на уровне 4 мА, и к одному контуру сигнала можно подключить несколько приборов. Ревизии HART 3–5 позволяли использовать адреса опроса приборов в диапазоне от 1 до 15. Ревизия HART 6 допускает адреса от 1 до 63, а ревизия HART 7 – от 0 до 63. Каждый прибор должен иметь уникальный адрес.
In multi drop mode the analog loop current is fixed at 4 mA and it is possible to have more than one instrument on a signal loop. HART revisions 3 through 5 allowed polling addresses of the instruments to be in the range 1–15. HART revision 6 allowed addresses 1 to 63; HART revision 7 allows addresses 0 to 63. Each instrument must have a unique address.
Адрес
Указывает адрес назначения в соответствии с одной из схем HART. Изначальная схема адресации использовала всего четыре бита для указания адреса устройства, что ограничивало количество устройств до 16, включая главный узел. Более новая схема использует 38 бит для указания адреса устройства. Этот адрес запрашивается у устройства посредством команды 0 или команды 11.
Specifies the destination address as implemented in one of the HART schemes. The original addressing scheme used only four bits to specify the device address, which limited the number of devices to 16 including the master. The newer scheme utilizes 38 bits to specify the device address. This address is requested from the device using either Command 0, or Command 11.
Команда
Это однобайтовое числовое значение, представляющее команду для выполнения. Команды 0 и 11 используются для запроса номера устройства.
This is a one byte numerical value representing which command is to be executed. Command 0 and Command 11 are used to request the device number.
Количество байтов данных
Указывает количество следующих байтов данных связи.
Specifies the number of communication data bytes to follow.
Статус
Поле статуса отсутствует у ведущего устройства и занимает два байта у ведомого. Это поле используется ведомым устройством для информирования ведущего устройства о завершении задачи и его текущем состоянии.
The status field is absent for the master and is two bytes for the slave. This field is used by the slave to inform the master whether it completed the task and what its current health status is.
Данные
Данные, содержащиеся в этом поле, зависят от выполняемой команды.
Data contained in this field depends on the command to be executed.
Контрольная сумма
Контрольная сумма формируется как результат операции XOR над всеми байтами, начиная с первого байта и заканчивая последним байтом поля данных, включая эти байты.
Checksum is composed of an XOR of all the bytes starting from the start byte and ending with the last byte of the data field, including those bytes.
Коды производителя
Каждому производителю, участвующему в протоколе HART, присваивается идентификационный номер. Этот номер передается в составе базовой команды идентификации устройства, выполняемой при первом подключении к нему.
Each manufacturer that participates in the HART convention is assigned an identification number. This number is communicated as part of the basic device identification command used when first connecting to a device.