(4)HART Protokol Ver 01

1 INDUSTRIJSKE RAČUNALNE MREŽE --------------HART Protokol --------------RADNA KOPIJA ver.01

HART Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) Protokol razvijen je sredinom 1980-tih u tvrtci

Rosemount Inc. HART koristi FSK (Frequency Shift Keying) modulaciju zasnovanu na Bell 202 telefonskom komunikacijskom standardu kojom se digitalni sinusni signal superponira

analognom istosmjernom signalu 4-20 mA pri čemu se istosmjerna struja ne mijenja budući je

srednja vrijednost FSK signala uvijek nula. FSK signal je sinusnog valnog oblika frekvencija 1200

Hz i 2200 Hz koje predstavljaju bitove 1 i 0.

Slika 1. HART signal i FSK modulacija

Brzina komunikacije kod HART Protokola je 1200 bps uz mogućnost razmjene 2 telegrama po

sekundi između nadređenog i podređenog uređaja. Za pouzdanost komunikacije je potrebno

osigurati minimalnu impedanciju petlje od 230 ohm-a.

Digitalni signal sadrži informacije o uređaju kao što su statusi, diagnostika, dodatne mjerne i

kalkulirane vrijednosti, konfiguracijski parametri itd.

Povezivanje HART uređaja

HART tehnologija koristi master-slave protokol, što znači da je podređeni uređaj (najčešće

senzor, aktuator ili kontroler) upravljan od nadređenog uređaja.


HART protokol omogućuje spajanje do dva nadređena uređaja u petlju, primarni i sekundarni. Primarni može biti DCS (Distributed Control System), PLC ili PC, a sekundarni HART ručni

terminal ili drugi PC.

Nadređeni uređaj (master) najčešće je spojen direktno sa HART uređajem u tzv. point-to-point vezi (slika 2).

Ručni terminali i podređeni uređaji imaju integriran FSK modem dok se PC stanice na vanjski

FSK modem povezuju preko serijskog sučelja.

Slika 2. HART point-to-point konfiguracija

Kod ovakve konfiguracije nadređeni uređaj može biti spojen na samo jedan podređeni uređaj

čija adresa mora uvijek biti nula jer operativni program uvijek koristi ovu adresu za uspostavu komunikacije.

Povezivanje više uređaja moguće je ostvariti pomoću multipleksera ( slika 3.) ili u multidrop

konfiguraciji (slika 4.). U multiplekser modu svi uređaji su postavljeni na adresu nula, a korisnik pomoću programa

odabire uređaj za komunikaciju.


Slika 3. HART komunikacija multiplekserom

U multidrop modu uređaji razmijenjuju sve podatke HART protokolom dok se istosmjerni signal

stalne vrijednosti 4 mA koristi isključivo za napajanje preko dvožilnog kabela.

U ovom modu 15 uređaja može biti povezano paralelno istovremeno a komunikacija sa uređajem je definirana njegovom adresom od 1-15. Aktuatori se ne mogu koristiti u ovom

modu jer komunikacija nije dovoljno brza da bi njihova kontrola bila učinkovita.


Slika 4. HART multidrop konfiguracija

U multidrop konfiguraciju postoji i mogućnost korištenja "burst" komunikacijskog moda u kojem svaki podređeni uređaj stalno odašilje poruke na zahtjev mastera. Na taj način moguće

je razmijenjivati 3-4 telegrama po sekundi.

HART i OSI Model

Slika 5. HART Protokol u OSI modelu


HART protokol podržava OSI model uz upotrebu 1,2 i 7 sloja. Ostali se ne koriste ili nisu podržani od aplikacijskog sloja.

Slika 6. HART komunikacija u OSI modelu

Fizički sloj Pored definiranja sučelja prema prijenosnom mediju (napona, impedancija, i sl.) vrši modulaciju i demodulaciju poruke te generiranje i detektiranja prijenosnog signala. Fizički sloj HART protokola zasnovan je na dvije metode komunikacije, analognom signalu 4-20 mA i digitalnoj FSK modulaciji. Osnovna komunikacija je analogni strujni signal 4-20 mA kojim podređeni uređaj (senzor) šalje nadređenom uređaju vrijednost koja je proporcionalna izmjerenoj veličini u skladu sa mjernim opsegom. Vrijednost 4 mA predstavlja donju a 20 mA gornju granicu mjernog opsega senzora. Ova komunikacija je uvijek tipa point-to-point, odnosno od jednog uređaja ka drugom jer ako postoji više uređaja na liniji rezultirajuća struja dati će pogrešku izmjerene vrijednosti.


Digitalna komunikacija ostvarena je utiskivanjem digitalnog signala na 4-20mA strujnu petlju pomoću FSK metode. Kao digitalni signal koristi se sinusni signal frekvencija 1200 Hz i 2200 Hz koji respektivno predstavljaju 1 i 0. Brzina prijenosa digitalnog signala je 1200 bita/sek. Budući je srednja vrijednost digitalnog signala nula nema utjecaja na analogni signal koji se istovremeno prenosi. Da bi se osigurao pouzdan prijenos podataka HART protokol specificira da ukupna impedancija strujne petlje uključujući kabel ne smije biti manja od 230 ohm-a. Također se definira maksimalna impedancija od 1100 ohm-a kao ograničavajući faktor snage izlaza jedinice za napajanje. HART nadređeni uređaji (master-i) su povezani sa podređenim uređajima u paralelu tako da se mogu spojiti i odspojiti bez utjecaja na rad uređaja. Ožičenje Za spajanja uređaja većina proizvođača preporuča korištenje kabela sa upletenom paricom i zaštitnim omotačem kategorije 5. Preporuča se minimalni presjek vodiča 0.2 mm2 za udaljenosti do 1500 m a presjek 0.5 mm2 za udaljenosti do 3000 m što je i teoretsko ograničenje za HART komunikaciju. Električna svojstva kabela (kapacitivnost te ograničen frekvencijski opseg od 2.5 kHz) te način i broj spojenih uređaja utjecati će na maksimalnu dužinu kabela. Uređaji mogu biti napajani preko linije ili zasebno. Ako su napajani preko linije moguće je spojiti najviše 15 uređaja. Smanjenjem presjeka i dužine vodiča povećava se ukupni otpor što dovodi do većeg prigušenja i distorzije signala. Da bi se smanjila interferencija potrebno je koristiti kabele sa zaštitnim omotačem koji treba biti uzemljen samo na jednom kraju i to na strani nadređenog uređaja. Podatkovni Sloj Aplikacijski sloj šalje zahtjev podatkovnom sloju a sadrži odredišnu adresu uređaja i podatke za slanje uključujući naredbu. Na osnovu ovog zahtjeva podatkovni sloj kreira telegram te šalje zahtjev fizičkom sloju o slanju ili detektiranju prijenosnog signala. Kontrola pristupa HART protokol radi na principu master-slave metode. Svaka komunikacija je inicirana od nadređenog uređaja. U HART protokolu mogu raditi dva master uređaja, primarni i sekundarni. HART podređeni uređaji nikad ne šalju podatke bez zahtjeva nadređenog uređaja.


Kada je izvršena razmjena podataka između master-a i slave-a master napravi određenu vremensku stanku prije slanja slijedećeg zahtjeva dozvoljavajući na taj način da drugi master uđe u komunikaciju. Dva master-a imaju fiksno definirano vrijeme paketa u kojem se izmjenjuju pri komunikaciji sa podređenim uređajem. Komunikacijski servisi HART omogućava rad u standardnom master-slave modu i broadcast modu. U master-slave modu na svaki master telegram slave šalje odgovor ili telegram potvrde. Kada je komunikacija uspostavljena HART naredba 11 može se koristiti za slanje broadcast poruke svim uređajima za provjeru konfiguracije sustava. Pojedini HART uređaji podržavaju i burst komunikacijski mod. U tom modu podređeni uređaj šalje ciklički telegrame sa pauzama od 75 ms koje mogu primiti primarni ili sekundarni master-i. Iako je obično moguće ostvariti dvije transakcije u sekundi na ovaj način podređeni uređaj može poslati 4 telegrama u sekundi. Struktura telegrama Svaki bajt šalje se kao 11-bitni UART karakter koji u sebi sadrži startni, paritetni i stop bit. Od revizije 5 HART protokol pruža dva formata telegrama koji koriste različite forme adresiranja. Pored kratkog formata koji koristi 4 bita adresiranja koristi se kao alternativa i duži format koji uključuje više sudionika u komunikaciji uz veću sigurnost za slučaj krivog adresiranja zbog grešaka u prijenosu.

Slika 7. Struktura HART telegrama


Elementi HART telegrama vrše slijedeću funkciju:

- Preamble se sastoji od 5-20 heksadecimalnih FF karaktera kojim se sinkroniziraju signali svih uređaja. Također se koriste i za detekciju prijenosnog signala. Dužina preamble-a može varirati ovisno o uređaju a master uvijek u prvoj komunikaciji sa uređajem koristi maksimalnu dužinu. Kad master pročita koliko bajta je predviđeno za dotični uređaj (spremljeno u HART parametru) u daljnjoj komunikaciji koristi se nova vrijednost.

- Startni bajt pokazuje koji uređaj šalje (master, slave ili slave u burst modu) i da li se koristi kratki ili dugi format adresiranja.

- Adresa sadrži 1-5 bajta. Može biti kratkog formata dužine jednog bajta (rev.4 uređaji) od kojih je prvi bit za definiranje mastera, drugi bit za indikaciju da se radu o burst telegramu, 4 bita za adresiranje uređaja (od 0 do 15). Adresiranje uređaja (rev.5) sa dužim formatom sastoji se od 5 bajtova, od kojih se 38 bita odnosi na adresu.

Slika 8. Kratki i dugi format HART adrese Duži format adrese sastoji je od nižih 38 bita jedinstvenog identifikatora uređaja. Ova jedinstvena adresa za uređaj je unesena u uređaj u vrijeme proizvodnje i ne može se mijenjati. Prvi bajt identifikatora je proizvođačev ID broj, drugi bajt je tipski kod uređaja, a bajtovi 3,4 i 5 sadržavaju serijski broj. Naredbom 0 ili 11 može se pročitati ova adresa.


Slika 9. Identifikator i dugi format HART adrese

- Naredba ( 1 bajt) određuje tip master naredbe a može se odnositi na tri kategorije: Univerzalne,

Opće (Common Practice) i Specifične za uređaj (Device Specific).

- Broj bajta (1 bajt) određuje dužinu poruke što je neophodno budući broj bajtova podataka u telegramu može varirati od 0 do 25. To je jedini način na koji se može prijemniku omogućiti da jasno identificira telegram i checksum. Broj bajta zavisi od sume bajtova statusa i podataka.

- Status od 2 bajta uključen je samo u telegram odgovora podređenih uređaja i sadrže informacije kodirane po bitu. Oni pokazuju da li je poruka primljena korektno i koji je operativni status uređaja. Ako uređaj radi ispravno oba bajta statusa su postavljeni u nulu. Za nadređeni uređaj status se ne koristi.

- Podaci mogu biti poslani kao pozitivni cijeli brojevi, decimalni brojevi ili ASCII karakteri. Format podataka određen je naredbenim bajtom. Pojedine naredbe ne moraju uključivati slanje podataka.

- Paritet (Checksum) bajt sadrži longitudinalni paritet (funkcija XOR) bajtova telegrama počevši od startnog bajta do zadnjeg bajta podataka. Osjetljivost na šum Za vrijeme rada uređaji se mogu spajati i odspajati bez opasnosti za uređaje ili utjecaja na komunikaciju ostalih uređaja. Za slučaj interferencije unutar prijenosnih linija HART specifikacija zahtjeva klasu 3 otpornosti na smetnje prema IEC 801-3 i -4. Nadalje zaštitni mehanizam za detektiranje pogrešaka u komunikaciji je implementiran u različitim komunikacijskim slojevima.


Na nižim razinama UART i longitudinalna paritet kontrola pouzdano detektira 3 koruptirana bita u telegramu. Greške nastale na višim razinama, kao što su HART naredbe koje se ne mogu interpretirati i greške uređaja su indicirane od strane podređenog uređaja nakon svake transakcije korištenjem statusnih bajtova koji se koriste za ovu svrhu. Transakcije u regularnim intervalima omogućavaju masteru da zna status svakog uređaja u komunikaciji i da reagira prema definiciji korisnika ili operativnog programa. Vrijeme i brzina prijenosa podataka Vrijeme potrebno za slanje telegrama rezultat je brzine prijenosa podataka (1200 bits/s) i broja bita po telegramu. Dužina telegrama zavisi od dužine poruke, 0 – 25 karaktera, i formata poruke. Za slučaj kratkog formata i dužinu poruke od 25 karaktera mora se poslati 35 karaktera. Budući se svaki bajt šalje kao UART karakter mogu se postići slijedeći podaci.

Slika 10. Vrijeme prijenosa HART telegrama Za kraće poruke omjer između korisničkih i kontrolnih podataka postaje prilično nepovoljan tako da vrijeme slanja može doseći i vrijednost od 128 ms za slanje korisničkih podataka. Prosječno se uzima 500 ms za vrijeme slanja i odziva uz uključeno vrijeme sinkronizacije i održavanja. Kao rezultat u HART-u se mogu ostvariti 2 transakcije po sekundi. Iz ovog razloga HART komunikacija nije pogodna za slanje vremenski ovisnih podataka kao što je rješavanje kontrolnih zadaća. Aplikacijski sloj Komunikacijske rutine HART nadređenih uređaja i operativnih programa su zasnovani na HART naredbama koje su definirane u aplikacijskom sloju HART protokola.


Pre-definirane naredbe omogućuju nadređenom uređaju slanje instrukcija, poruka ili podataka podređenim uređajima. Dakle mogu se poslati postavke, aktualne vrijednosti i parametri i pokrenuti razni servisi za start-up i dijagnostiku. Podređeni uređaji šalju odgovor slanjem potvrde koji može sadržavati statusna izvješća i/ili podatke o uređaju. Primjer na slici 11. pokazuje komunikaciju u slučaju poslane naredbe 33.

Slika 11. Primjer HART transakcije – naredba 33

Ova naredba omogućuje masteru čitanje 4 varijable podređenog uređaja i odgovarajuće jedinice mjerenja sa samo jednom naredbom. HART naredbe su klasificirane prema funkcijama u naredbe za master uređaje i naredbe za slave uređaje, slika 12. Master naredbe podijeljene su u 6 „conformance“ klasa i njima pripadaju odgovarajuće naredbe podređenih uređaja koje su podijeljene u tri klase:

- Univerzalne naredbe moraju podržavati svi uređaji koji koriste HART protokol. One omogućuju pristup informacijama uređaja koje se koriste u normalnom radu npr. čitanje primarnih varijabli i jedinica.

- Opće - Common Practice naredbe su podržane od jednog dijela ali ne i svih HART uređaja.


- Specifične - Device Specific naredbe podržavaju funkcije koje su jedinstvene za svaki pojedinačni uređaj. Ove naredbe omogućuju pristup podacima o tipu, konstrukciji, podešenju i kalibraciji uređaja.

Slika 12. Klase HART naredbi Sažetak HART naredbi dani su u tablici:

Univerzalne Opće Specifične • Čitanje tipa uređaja i

proizvođača • Čitanje primarne variable

(PV) i jedinica • Čitanje strujnog izlaza i

postotka opsega • Čitanje do 4 predefinirane

dinamičke varijable • Čitanje ili pisanje 8-

karakternog taga, 18-karakternog opisa, datuma

• Čitanje i upisivanje poruke od 32 karaktera

• Čitanje opsega, jedinica i damping time konstante uređaja

• Čitanje i upisivanje proizvodnog broja

• Upisivanje adrese pristupa

• Čitanje odabira do 4 dinamičke varijable

• Upisivanje damping time konstante

• Upisivanje opsega uređaja • Kalibracija (postavljanje

nule i spana) • Namještanje fiksne struje

izlaza • Procedura samotestiranja • Master reset procedura • Podešenje PV zero • Upisivanje PV jedinica • Podešenje DAC zero i gain • Upisivanje transfer funkcije

(drugi korijen/linear) • Upisivanje serijskog broja

senzora • Čitanje i upisivanje

• Čitanje i upisivanje donje granične vrijednosti

• Start, stop ili brisanje totalizatora

• Čitanje ili upisivanje kalibracijskog faktora gustoće

• Odabiranje PV (težina. protok ili gustoća)

• Čitanje ili upisivanje informacije o materijalu ili konstrukciji

• Kalibracija senzora • Korisničke jedinice • Postavke lokalnog displeja


definicije dinamičkih varijabli

Pojedine HART aplikacije koriste Device Descriptions (DD) za očitavanje informacije o varijablama i funkcijama podređenog uređaja. DD su pisani u Device Description Language (DDL) koji ujedinjuje sve informacije za komunikaciju u jednu strukturiranu datoteku. DD identificira koje su opće naredbe podržane te format i strukturu specifičnih naredbi. DD za HART uređaje je nešto slično kao pogonski programi za pisače. DD eliminira potrebu za proizvođače da razvijaju različita sučelja i pogonske programe. DD pruža sliku svih parametara i funkcija u standardiziranom jeziku, a HART proizvođači dužni su osigurati DD za svoje proizvode. DD datoteku kompajler može pročitati i pretvoriti je u korisnikovo sučelje. Program koji se izvršava u nadređenom uređaju učitava podatke iz kompajlera i stvara sliku izbornika za upravljanje podređenim uređajem. Za sada DDL je podržan samo od Rosemount Inc. i to u ručnim terminalima. HART protokol je dizajniran za rad preko postojećih signalnih kabela ali dužina zavisi o otporu opterećenja petlje, otporu i kapacitetu kabela, broju i kapacitetu uređaja te otporu i poziciji uređaja u petlji. Glavni razlog toga je što kroz mrežu mora proći HART signal frekvencija 1200 i 2200 Hz bez značajnijih gubitaka ili distorzije. Također se mora osigurati frekvencijski opseg signala od 2500 Hz na način da je umnožak otpora kabela i kapaciteta manji od 65 us.

(4)HART Protokol Ver 01

Documents

Transcript of (4)HART Protokol Ver 01