Magistrala FSK (FSK bus)
Protokół HART może zostać rozszerzony o funkcje specyficzne dla konkretnych producentów sprzętu. Dla przykładu, firma Hartmann & Braunn rozwinęła system nazwany FSK bus. Pozwala on połączyć i zaadresować około stu urządzeń HART, ale wymaga to zastosowania specjalnych wzmacniaczy izolujących (np. TET 128). Jedyną przyczyną ograniczonej liczby możliwych do połączenia urządzeń są wnoszone przez nie szumy, z powodu których poprawny odczyt telegramów staje się niemożliwy.
Urządzenia używające protokołu HART są podłączane do sygnału analogowego i wspólnej linii magistrali FSK poprzez wzmacniacz izolujący (rysunek 5). Z punktu widzenia magistrali, wzmacniacze te są konwerterami impedancji. Pozwala to podłączać do sieci komunikacyjnej także urządzenia wnoszące duże obciążenie.
Rys. 5. Komponenty magistrali FSK i sposób ich łączenia
Do adresowania urządzeń jest używana specjalna, długa forma adresu. W fazie konfiguracji, adres magistralowy i etykieta (tag) każdego urządzenia są ustawiane poprzez połączenie punkt-punkt. W czasie pracy systemu urządzenia wykorzystują adresy długie. Podczas używania komendy HART numer 11, host może także zaadresować urządzenie wykorzystując jego etykietę. W ten sposób, konfiguracja systemu może zostać odczytana i sprawdzona w fazie startu systemu.
Systemy komunikacyjne wysokiego poziomu
Do łączenia systemów wykorzystujących HART z innymi systemami komunikacyjnymi wykorzystywane są bramy (gateway). Konwertują one protokoły sieci, które mają zostać połączone.
W większości przypadków, gdy konieczne jest wykonanie skomplikowanych zadań komunikacyjnych, preferowaną opcją są systemy wykorzystujące technologię Fieldbus.
HART umożliwia jednak komunikację na długie dystanse nawet bez skomplikowanych konwersji protokołów. Sygnały HART można transmitować po liniach telefonicznych wykorzystując konwertery HART/CCITT, dzięki czemu urządzenia podrzędne podłączone do dedykowanych linii będących własnością firmy mogą komunikować się z hostami centralnymi znajdującymi się w odległości wielu kilometrów od nich.
Technika dwuprzewodowa i impedancja obciążenia
Sygnały protokołu HART są nakładane na konwencjonalne, prądowe sygnały analogowe. Protokół można wykorzystywać niezależnie od tego czy urządzenia są zaprojektowane w technice czteroprzewodowej z osobnymi liniami zasilania czy dwuprzewodowej. Trzeba jednak zaznaczyć, że maksymalne dopuszczalne obciążenie urządzenia wykorzystującego HART jest stałe.
Obciążenie to jest ograniczone w specyfikacji protokołu (patrz: podrozdział „Warstwa fizyczna” – maksymalnie 1100 W całkowitego obciążenia obwodu). Kolejne ograniczenie, występujące szczególnie w starszych instalacjach, jest nakładane przez sterownik procesu. Jego sygnał wyjściowy musi być w stanie zasilić podłączone urządzenie dwuprzewodowe.
Im wyższe zużycie energii urządzenia dwuprzewodowego, tym większe obciążenie ono stanowi. Dodatkowe funkcje urządzenia związane z wykorzystywaniem HART zwiększają jego zapotrzebowanie na energię, a więc i obciążenie, jakie ono wnosi, w porównaniu z przyrządami nie używającymi protokołu.
Przy włączaniu urządzeń korzystających z HART do już istniejących instalacji, sterownik procesu należy sprawdzić pod kątem jego zdolności do zasilenia ich.
Rys. 6. Połączenie punkt-punkt – ze wzmacniaczem izolującym IS oraz bez niego
Musi on być w stanie dostarczyć napięcie co najmniej równe impedancji obciążenia wnoszonej przez urządzenie HART pomnożonej przez 20 mA. Wymagane napięcie i pobieraną energię można wyliczyć ze wzorów:
UB = 20mA · load
PW = UB · I=I2 · load
| UWAGA: Wartość obciążenia, jakie stanowi urządzenie jest zawsze definiowana dla prądu 20 mA. Jeśli sterownik procesu nie może zapewnić odpowiedniego napięcia (biorąc pod uwagę rezystancje przewodów itd.), można zastosować kompatybilny z HART wzmacniacz izolujący IS (Intrinsic Safety). |
Wykorzystanie protokołu w trudnych warunkach środowiskowych
Szczegóły techniczne zdefiniowane w specyfikacji protokołu HART pozwalają wykorzystywać urządzenia zgodne ze standardem pracujące w trybie Intrinsic Safety (Ex-i) także w trudnych warunkach.
Podczas instalacji urządzeń w takich środowiskach należy się upewnić, że wzmacniacz izolujący IS, który nie tylko wzmacnia, ale też stanowi barierę IS, jest kompatybilny z HART.
Interfejs urządzeń terenowych
Urządzenia terenowe komunikujące się za pomocą protokołu HART wymagają odpowiedniego interfejsu. Jak już wspomniano, urządzenia te mają zintegrowany modem FSK. Na rysunku 7 zaprezentowano w formie schematu blokowego komponenty pozycjonera typu 3780 firmy SAMSON. Przy ocenie sygnałowej należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:
- Analogowy sygnał prądowy (8) jest transmitowany przez przetwornik A/C do mikroprocesora (2), który odpowiedzialny jest za realizację funkcji aplikacyjnych, np. sterowanie położeniem.
- Modem FSK podaje odebrany sygnał HART (8) do mikroprocesora (5), który przetwarza dane komunikacyjne.
- Modem FSK nakłada sygnały HART, które mają zostać przesłane na analogowy sygnał prądowy linii 4…20 mA.
Rys. 7. Interfejs HART w pozycjonerze firmy SAMSON
- Oba procesory, komunikacyjny (5) i aplikacyjny (2), wymieniają między sobą odebrane dane oraz dane do przesłania.
Pozostałe bloki funkcjonalne (3, 4, 6 i 7) odpowiadają częściom systemu mierzącym pozycję zaworu (1) i dostosowującym ciśnienie pneumatyczne w siłowniku, zgodnie z wytycznymi sterownika.
