Технология HART в промышленной автоматизации

Введение

HART (Highway Addressable Remote Transducer) - одна из самых влиятельных коммуникационных технологий в области автоматизации технологических процессов.

Основная инновация компании - комбинирование:

• Традиционная аналоговая передача 4-20 мА
• Цифровая связь
• Диагностика устройства
• Удаленная конфигурация

на одной паре проводов.

Главная ценность технологии HART заключается не в самой связи, а в том, как она расширяет функциональность промышленных приборов, не заменяя существующую аналоговую инфраструктуру.

Благодаря технологии HART приборы получили возможность предоставлять:

• Вторичные переменные процесса
• Мониторинг состояния устройства
• Информация о калибровке
• Диагностические данные
• Удаленная конфигурация параметров

При этом сохраняется совместимость с традиционными аналоговыми системами управления.

История и развитие HART

Протокол HART родился из экономической необходимости объединить цифровую связь с существующей:

4-20 мА

системы с токовой петлей.

Протокол был первоначально разработан:

Emerson Electric Co.

в 1980-е годы.

В то время на промышленных предприятиях уже были установлены массивные базы аналоговых приборов. Замена всей проводки и систем управления на полностью цифровые сети была бы крайне дорогостоящей.

HART решил эту проблему, позволив цифровому обмену данными сосуществовать с аналоговой сигнализацией в одном кабеле.

Позже протокол стал открытым стандартом, и право собственности на него перешло к компании:

FieldComm Group

в 2015 году.

Компания FieldComm Group была образована в результате слияния:

• Основа связи HART
• Основание полевой шины

Его миссия - продвижение стандартизированной цифровой интеграции для промышленных полевых устройств и систем автоматизации процессов.

Сегодня HART остается одним из наиболее широко распространенных протоколов связи в таких отраслях, как:

• Нефть и газ
• Химическая обработка
• Очистка воды
• Производство электроэнергии
• Продукты питания и напитки
• Фармацевтическое производство

Основной технический принцип HART

Основная инновация HART заключается в следующем:

Одновременная аналоговая и цифровая связь по одному проводу.

Традиционные аналоговые контуры передают только одну переменную процесса.

Например:

• Давление
• Поток
• Температура
• Уровень

Однако HART накладывает цифровой обмен данными поверх аналогового токового сигнала.

Как описывает Ортманс (1996):

“Протокол HART позволяет передавать аналоговые и цифровые данные”.”

Протокол включает в себя спецификации для:

• Физическая передача
• Структура сообщения
• Форматирование данных
• Операционные процедуры
• Команды связи

Эта гибридная коммуникационная архитектура легла в основу современных интеллектуальных приборов.

Технология связи HART FSK

Используется HART:

FSK

(Frequency-Shift Keying) технология связи.

Цифровой сигнал накладывается на существующий:

4-20 мА

аналоговая токовая петля.

Для представления двоичных значений используются две частоты:

1200 Гц=1

и

2200 Гц=0

Скорость связи составляет:

1200 бит/с

Ведомое устройство может передавать информацию ведущему, а ведущее - отправлять ему команды.

Этот метод передачи основан на стандарте телефонной связи Bell 202.

Одной из важнейших инженерных характеристик является:

• Среднее значение сигнала FSK равно нулю

Таким образом, цифровая связь не мешает аналоговому сигналу тока.

Это позволяет:

• Аналоговое управление процессами
• Цифровая диагностика

работать одновременно.

Как HART улучшает функции приборов

HART превратил традиционные полевые приборы в интеллектуальные устройства.

Вместо того чтобы передавать только одну переменную процесса, приборы теперь могут обеспечивать:

• Вторичные переменные
• Диагностика устройства
• Состояние датчика
• Калибровочные данные
• Информация о техническом обслуживании

Например:

Датчик давления может передавать сигнал:

• Значение первичного давления
• Температура датчика
• Состояние электроники
• Сигналы тревоги устройства
• Условие калибровки

через одну и ту же коммуникационную петлю.

Связь HART широко используется для доступа:

• Вторичные переменные
• Диагностика
• Состояние устройства

В некоторых промышленных системах:

Первичное значение считывается как аналоговым, так и цифровым методом для перекрестной проверки состояния аналогового сигнала и проверки производительности цифро-аналогового преобразования.

Это значительно улучшает ситуацию:

• Надежность
• Эффективность технического обслуживания
• Безопасность технологических процессов
• Возможность прогнозируемого технического обслуживания

Многоточечная связь

Поддерживает HART:

• Режим "точка-точка
• Многоточечный режим

В многоточечном режиме:

• Несколько устройств HART используют одну линию связи
• Каждое устройство имеет уникальный адрес
• Коммуникации становятся преимущественно цифровыми

Это уменьшает:

• Сложность проводки
• Стоимость установки
• Кабельная инфраструктура

особенно в крупных промышленных установках.

Командная система HART

Связь HART построена на основе архитектуры, основанной на командах.

Байт команды HART содержит целое число в диапазоне от:

0∼253

Используются команды свыше 255:

• Расширенные структуры команд

используя команду:

31 (0x1F)

для обозначения расширенного режима работы команды.

Команды HART делятся на пять категорий:

• Универсальные команды
• Команды общей практики
• Непубличные команды
• Команды для конкретного устройства
• Команды WirelessHART

Универсальные команды

Универсальные команды поддерживаются всеми устройствами, совместимыми с HART.

Эти команды обеспечивают стандартные функции устройства, такие как:

• Чтение первичных переменных
• Чтение информации об устройстве
• Доступ к диагностике
• Идентификация устройства

Обычно используется следующая команда:

#0

который часто используется в начале связи для определения необходимых байтов преамбулы.

Еще одна важная команда:

#48

который считывает дополнительную информацию о состоянии устройства.

Командная архитектура помогла стандартизировать взаимодействие между:

• Контроллеры
• Системы управления активами
• Полевые устройства

от разных производителей.

Альтернативные технологии физического уровня HART

Хотя FSK является наиболее распространенной реализацией HART, существуют и альтернативные физические уровни.

RS-485 HART

HART может работать с использованием:

RS-485

вместо аналоговых токовых контуров.

Это позволяет отказаться от аналоговой передачи данных, но обеспечивает более высокую скорость связи:

19,2∼38,4 Кбит/с

что делает его сравнимым с полностью цифровыми протоколами, такими как:

• Foundation Fieldbus
• PROFIBUS PA

C8PSK HART

Другая альтернатива:

$C8PSK$

(Когерентная 8-полосная фазовая манипуляция)

что позволяет развивать скорость до:

9,6 Кбит/с

поддерживают примерно:

10 транзакций/секунду

Если качество связи ухудшается, устройства могут автоматически вернуться к стандартной связи FSK.

Промышленные проблемы, решаемые с помощью HART

HART решил несколько основных проблем промышленной автоматизации.

Сохранение существующей инфраструктуры

Промышленные предприятия могут перейти на цифровые приборы без замены:

• Существующие кабели
• Аналоговые карты ПЛК
• Аналоговые системы управления
• Установленные инструменты

Это значительно сократило расходы на модернизацию.

Добавление диагностики в аналоговые системы

Традиционные системы 4-20 мА практически не обеспечивали диагностики.

HART включен:

• Мониторинг состояния устройства
• Удаленная диагностика
• Управление калибровкой
• Предиктивное обслуживание

без изменения архитектуры управления аналоговыми процессами.

Улучшенное управление активами

HART обеспечивает централизованный мониторинг:

• Состояние инструмента
• Дрейф датчика
• Состояние калибровки
• История технического обслуживания

Это повысило надежность работы и сократило время простоя.

HART в индустрии 4.0

Современная технология HART продолжает развиваться вместе с системами Industry 4.0.

Сегодня приборы с поддержкой HART могут интегрироваться с:

• Шлюзы Ethernet
• Системы управления активами
• Сети WirelessHART
• Платформы облачного мониторинга
• Архитектуры IIoT
• Системы прогнозируемого технического обслуживания

Современные устройства HART теперь поддерживают:

• Удаленная диагностика
• Мониторинг в режиме реального времени
• Цифровые двойники
• Предиктивная аналитика

при этом сохраняя совместимость с традиционными:

4-20 мА

инфраструктура.

Эта обратная совместимость остается одним из самых сильных промышленных преимуществ HART.

Тенденции развития HART в будущем

Будущие разработки HART, вероятно, будут направлены на:

• Более быстрая цифровая связь
• Беспроводное подключение
• Повышение уровня кибербезопасности
• Облачная интеграция
• Расширенная диагностика
• Интеграция с Ethernet-APL и OPC UA

Хотя промышленные коммуникации на базе Ethernet быстро развиваются, HART, скорее всего, сохранит свое значение, так как на промышленных предприятиях продолжают работать огромные базы аналоговых приборов.

Вместо того чтобы исчезнуть, HART все чаще служит мостом между:

• Традиционный инструментарий
• Современные цифровые промышленные архитектуры

Заключение

HART коренным образом изменил промышленное приборостроение, позволив:

• Аналоговая и цифровая связь по одному проводу
• Интеллектуальная диагностика по аналоговым шлейфам
• Удаленная настройка и калибровка
• Улучшенное управление активами
• Экономически эффективная цифровая модернизация

Его гибридная коммуникационная архитектура позволила промышленным предприятиям модернизировать существующие аналоговые системы без отказа от установленной инфраструктуры.

Даже в эпоху Индустрии 4.0 HART продолжает играть важнейшую роль в соединении традиционных полевых приборов с современными цифровыми системами автоматизации.