Warstwy komunikacyjne protokołu HART

Protokół HART wykorzystuje referencyjny model OSI i tak jak większość przemysłowych systemów komunikacyjnych implementuje tylko warstwy 1, 2 i 7 modelu. Pozostałe warstwy pozostają niewykorzystane, gdyż ich usługi albo nie są potrzebne w warstwie 7, albo nie są przez nią świadczone.

Rys. 8. Warstwy protokołu HART jako implementacja modelu OSI

Warstwa fizyczna. Kodowanie

Transmisja danych między urządzeniem pracującym jako master (hostami), a urządzeniami podrzędnymi jest fizycznie realizowana poprzez podawanie zakodowanego sygnału cyfrowego na pętlę prądową 4…20 mA. Jako że sygnał zakodowany nie ma składowej stałej, przebiegająca równolegle transmisja analogowa nie jest zakłócana. Pozwala to protokołowi HART włączyć w istniejący kanał simpleksowy transmitujący sygnał prądowy (analogowe urządzenie sterujące à urządzenie podrzędne) dodatkowy, półdupleksowy kanał komunikacyjny działający w obu kierunkach.

Rys. 9. Sygnał cyfrowy protokołu HART nałożony na analogowy sygnał prądowy

Warstwa transmisji bitów definiuje asynchroniczny, półdupleksowy interfejs pracujący na analogowej linii prądowej. Do kodowaniu użyto cyfrowej modulacji FSK (Frequency Shift Keying) opartej na standardzie Bell 202. Cyfrowym wartościom „0” i „1” odpowiadają następujące częstotliwości:

Logiczne „0”: 2200 Hz

Logiczna „1”: 1200 Hz

Każdy bajt telegramu warstwy 2 jest transmitowany jako 11-bitowy znak UART z przepływnością 1200 b/s.

Specyfikacja HART określa, że urządzenia nadrzędne wysyłają sygnały napięciowe, a urządzenia podrzędne nadają swoje komunikaty wykorzystując prądy niezależne od obciążenia. Sygnały prądowe są konwertowane na napięcia na wewnętrznej rezystancji odbiornika (na obciążeniu).

Aby zapewnić stabilny odbiór sygnałów, protokół HART określa łączne obciążenie pętli prądowej – łącznie z rezystancjami przewodów – na nie mniej niż 230 i nie więcej niż 1100 W. Górny limit nie jest zwykle określany przez specyfikację, ale wynika z ograniczonej mocy zasilacza.

Urządzenia nadrzędne są podłączane równolegle do urządzeń podrzędnych (np. rysunek 6), więc można je odłączać i podłączać w trakcie pracy systemu bez przerywania pętli prądowej.

Okablowanie

Okablowanie urządzeń wykorzystujących protokół HART zwykle składa się z kabli wykonanych ze zwykłej skrętki dwuprzewodowej. Jeśli używane są przewody bardzo cienkie i/lub długie, ich rezystancja zaczyna mieć znaczenie, gdyż zależy od niej całkowite obciążenie. Rośnie wtedy tłumienie sygnału i zakłócenia, przy jednoczesnym obniżaniu krytycznej częstotliwości transmisji.

Jeśli problem stanowią sygnały zakłócające, linie długie trzeba ekranować. Pętla sygnałowa oraz ekran powinny być uziemione tylko w jednym, wspólnym punkcie.

Zgodnie ze specyfikacją, stabilną pracę systemu zapewniają następujące konfiguracje:

• Przy krótkich dystansach wystarczające są zwykłe, nieekranowane, dwuprzewodowe kable o przekroju żyły 0,2 mm².
• Dla odległości do 1500 m należy zastosować niezależnie skręcone pary przewodów o przekroju każdrj żyły 0,2 mm² we wspólnym ekranie.
• Przy odległościach do 3000 m należy zastosować niezależnie skręcone i ekranowane linie dwuprzewodowe o przekroju każdej żyły 0,5 mm².

W większości przypadków, okablowanie dostępne w terenie spełnia te wymagania i może być używane do komunikacji cyfrowej.

Złącza

Jedną z podstawowych zalet protokołu jest fakt, że pozwala on wykorzystać istniejące okablowanie. Specyfikacja HART nie opisuje więc żadnego specjalnego typu złączy. Jako że polaryzacja nie ma wpływu na określenie częstotliwości, sygnały HART są zwykle podłączane za pomocą zwykłych złączy zaciskowych.

Cechy urządzeń kompatybilnych z HART

Komunikacja z wykorzystaniem protokołu HART między dwoma lub większą liczbą urządzeń może zajść tylko, jeśli wszyscy jej uczestnicy potrafią właściwie interpretować sinusoidalne sygnały HART. By to zapewnić, nie tylko linie transmisyjne, ale też urządzenia włączone w pętlę prądową muszą spełnić pewne wymagania. Nawet urządzenia nie biorące udziału w komunikacji mogą bowiem utrudnić lub uniemożliwić transmisję danych.

Przyczyną takiego stanu rzeczy jest to, że wejścia i wyjścia tych urządzeń często są przystosowane tylko do systemów 4…20 mA, a wraz ze zmianą częstotliwości sygnału zmieniają się rezystancje tych wejść i wyjść, co może pociągać za sobą zwarcia przy próbach transmisji sygnałów HART (od 1200 do 2200 Hz).

Aby temu zapobiec, należy zwiększyć wewnętrzną rezystancję używając dodatkowego obwodu, np. filtru dolnoprzepustowego RC (250 ohm, 1 uF), jaki przestawiony jest na rysunku 10.

Rys. 11. Należy zapobiec zwarciu sygnałów HART na wyjściu sterownika

Niedogodnością takiego rozwiązania jest to, że włączona szeregowo rezystancja musi być zasilana przez sterownik.

Obciążenie, które sterownik musi wysterować:

Jeśli użyty zostanie specjalny HART box, dodatkowe obciążenie może zostać zredukowane do jednej piątej czyli do 50 omów. Jeśli taka wartość nadal jest nie do zaakceptowania, należy zastosować albo dodatkowy wzmacniacz sygnału, albo sterownik o większej mocy wyjściowej.

Usługi warstwy 2. Kontrola dostępu

Protokół HART pracuje w oparciu o architekturę master–slave. Komunikacja jest zawsze inicjowana przez urządzenie nadrzędne, którym jest albo stacja sterująca, albo jeden z przyrządów. Protokół pozwala na występowanie w sieci dwóch urządzeń nadrzędnych – głównego, którym jest zwykle system sterujący oraz pobocznego, np. laptopa czy terminala ręcznego.

Rys. 11. Transakcja HART – wymiana danych między urządzeniami master i slave

W protokole HART urządzenia terenowe lub podrzędne (slave) nigdy nie nadają bez otrzymania żądania – odpowiadają tylko, jeśli odbiorą odpowiednią komendę od urządzenia nadrzędnego (rysunek 11). Gdy transakcja, czyli wymiana danych między urządzeniami, jest ukończona, host biorący w niej udział czeka ustalony okres przed wysłaniem następnej komendy, pozwalając drugiemu urządzeniu nadrzędnemu zainicjować inną transmisję. Oba urządzenia nadrzędne stosują ustaloną ramkę czasu czekania, aby móc na zmianę komunikować się z urządzeniami podrzędnymi.

Usługi komunikacyjne

Protokół HART dostarcza dwie komendy – standardową i broadcastową:

Tryby komunikacji protokołu HART

Najprostszą formą transakcji jest wysłanie przez urządzenie nadrzędne telegramu, po odebraniu którego urządzenie podrzędne wysyła odpowiedź lub potwierdzenie odbioru (rysunek 11). Ten tryb komunikacji jest wykorzystywany do zwykłej wymiany danych. Gdy połączenie jest ustanowione, do przesłania wiadomości broadcastowej nakazującej wszystkim urządzeniom sprawdzenie konfiguracji systemu można użyć komendy HART numer 11.

Niektóre urządzenia używające protokołu HART obsługują opcjonalny tryb wiązek (burst mode). Pracujące w nim pojedyncze urządzenie podrzędne cyklicznie, z 75-milisekundowymi przerwami wysyła telegramy, które mogą być odbierane zarówno przez główne, jak i poboczne urządzenie nadrzędne. Urządzenie podrzędne może tak wysyłać do czterech telegramów na sekundę, mimo że w normalnym trybie pracy w tym czasie możliwa jest transmisja tylko dwóch.