Sieci przemysłowe (field networks) nie są jedynym obszarem aplikacyjnym pozwalającym wykorzystywać inteligentne urządzenia przemysłowe. Protokół HART daje w tym zakresie wiele możliwości, nawet przy instalacjach wykorzystujących standardowe pętle prądowe 4…20 mA.

Urządzenia komunikujące się za pomocą protokołu HART przesyłają dane po liniach transmisyjnych wykorzystując w warstwie fizycznej pętlę prądową 4…20 mA. Pozwala to parametryzować urządzenia w sieci i uruchamiać je w wygodny sposób, a także odczytywać wyniki pomiarów i dane zapisane w ich pamięci.

Protokół HART (Highway Addressable Remote Transducer) pojawił się w 1989 roku i zdobył popularność w wielu zastosowaniach przemysłowych, umożliwiając dwukierunkową komunikację nawet w trudnych warunkach środowiskowych. Pozwala on na wykorzystanie do dwóch urządzeń nadrzędnych (master): konsoli inżynierskiej w stacji sterowania oraz drugiego urządzenia pracującego w terenie, np. laptopa czy terminala ręcznego.

Najważniejsze cechy użytkowe protokołu HART:

• jest sprawdzony w praktyce, łatwy jeśli chodzi o projektowanie, utrzymanie i używanie,
• jest kompatybilny z typowym, analogowym sprzętem pomiarowym,
• umożliwia jednoczesną komunikację analogową i cyfrową,
• pozwala na pracę w trybie punkt-punkt oraz multidrop,
• daje elastyczność w dostępie do danych, dzięki dwóm urządzeniom master,
• obsługuje urządzenia o wielu zmiennych,
• ma wystarczający czas odpowiedzi, wynoszący ok. 500 ms,
• jest de facto standardem otwartym, dostępnym dla wszystkich producentów i użytkowników.

Łączenie urządzeń za pomocą protokołu HART

Urządzenia wykorzystujące protokół HART dzielą się na urządzenia nadrzędne (host/master) i podrzędne (field/slave). Urządzeniami hostującymi mogą być zarówno przenośne terminale ręczne, jak i stacje robocze, np. pracujące w centrum sterowania. Jako slave mogą natomiast pracować czujniki, nadajniki i rozmaite urządzenia wykonawcze. Paleta rozwiązań do wyboru rozciąga się od urządzeń dwu- i czteroprzewodowych do w pełni zabezpieczonych wersji używanych w niebezpiecznych warunkach środowiskowych. Dane protokołu HART są nakładane na sygnał pętli 4-20 mA poprzez modem FSK. Pozwala to urządzeniom komunikować się cyfrowo bez zaburzania transmisji analogowej.

Urządzenia pracujące w terenie i niewielkie terminale ręczne mają zintegrowane modemy FSK, a stacje robocze PC wyposażone są w interfejs szeregowy pozwalający podłączać modemy zewnętrzne. Na rysunku 1 przedstawiony został typowy schemat połączenia hosta i urządzenia podrzędnego HART. Protokół ten jest często wykorzystywany w takich właśnie prostych konfiguracjach typu punkt-punkt, ale można go też stosować w wielu innych wariantach połączeń.

Rys. 1. Schemat połączeń urządzeń za pomocą interfejsu z protokołem HART

W systemach rozszerzonych, liczbę dostępnych urządzeń można zwiększyć za pomocą multipleksera. Co więcej, HART umożliwia współpracę urządzeń w konfiguracjach przeznaczonych do zastosowań specjalnych. Wśród dostępnych wariantów są: multidrop, FSK bus oraz sieci do pracy z podziałem zakresu (split-range).

Liczba urządzeń i adresowanie: połączenie punkt-punkt

Konfiguracja zaprezentowana na rysunku 1, w której jedno urządzenie pracujące jako master łączy się z jednym urządzeniem podrzędnym (field device) jest nazywana „punkt-punkt”. Ten wariant wymaga, aby adres urządzenia podrzędnego był na stałe ustawiony na wartość zero, gdyż program sterujący używa takiego adresu.

Multiplekser

Na rysunku 2 przedstawiono wykorzystanie multipleksera, pozwalającego połączyć dużą liczbę urządzeń w sieć HART.

Rys. 2. Konfiguracja systemu wymiany danych z protokołem HART z wykorzystaniem multipleksera

Użytkownik wybiera konkretną pętlę prądową poprzez system operacyjny. Tak długo, jak trwa komunikacja, multiplekser łączy tę pętlę z hostem. Dzięki kaskadowej strukturze multiplekserów, host może łączyć się z wieloma (>1000) urządzeniami o adresie ustawionym na zero.

Tryb multidrop

Protokół HART był pierwotnie projektowany pod kątem nadajników. Dla nich też rozwinięto tryb multidrop, w którym urządzenia wymieniają się danymi i wynikami pomiarów wyłącznie poprzez protokół HART. Analogowy sygnał prądowy służy tylko do zasilania dwuprzewodowych urządzeń, dostarczając stały prąd o natężeniu 4 mA.

W trybie multidrop, do pojedynczej pary przewodów podłączane jest równolegle do 15 urządzeń (rysunek 3). Host rozróżnia urządzenia dzięki adresom, przyjmującym wartości od 1 do 15.

W trybie multidrop nie można używać zaworów regulacyjnych. Jak pokazano w obliczeniach na rysunku 16, cyfrowa komunikacja z użyciem protokołu HART jest zbyt wolna by wybrać wartość wodzącą (set point) i sygnały sterujące zaworem są zawsze transmitowane jako standaryzowane sygnały prądowe pętli 4-20 mA.

Rys. 3. Nadajniki HART w trybie multidrop

Magistrala do pracy z podziałem zakresu (split-range)

Istnieją zastosowania wymagające tego, by kilka elementów wykonawczych (najczęściej dwa) otrzymało ten sam sygnał sterujący. Typowym przykładem jest tu system zaworów regulacyjnych z podzielonym zakresem pozycjonowania. Jeden zawór pracuje w nominalnym zakresie prądów od 4 do 12 mA, a drugi wykorzystuje natężenia od 12 do 20 mA.

Przy pracy z podziałem zakresu, zawory są podłączone do pętli prądowej szeregowo. Jeśli oba wykorzystują protokół HART, urządzenie nadrzędne musi umieć je rozróżnić. Aby było to możliwe, protokół w wersji 6 i późniejszych został rozszerzony o jeszcze jeden wariant sieciowy.

Tak jak w trybie multidrop, każde z urządzeń ma nadawany adres od 1 do 15, a sygnał analogowy 4…20 mA zachowuje swoją funkcję, którą w przypadku zaworów sterujących jest wybór odpowiedniej odległości (travel). Aby użycie protokołu HART było możliwe także w takich zastosowaniach, jak systemy pracujące z podziałem zakresu, pozycjoner HART firmy SAMSON zawsze używa analogowego sygnału prądowego jako zmiennej odniesienia, niezależnie od adresu urządzenia (rysunek 4).

Rys. 4. System z dwoma pozycjonerami HART pracujący z podziałem zakresu