Snad všem technikům a projektantům v oblasti průmyslu je důvěrně známo analogové propojení zařízení a přenos hodnoty prostřednictvím proudové smyčky, obvykle 0-20 mA nebo 4-20 mA. Pomocí proudové smyčky je však možné komunikovat i digitálně prostřednictvím protokolu a standardu HART, který popisuje následující článek...

HART (Highway Addressable Remote Transducer) je stále populárnější a již široce zaběhlý globální celosvětový standard pro Master-Slave komunikaci chytrých procesních přístrojů s nadřazenými systémy typu centrální PLC, distribuovaný systém, přenosné terminály či moderní zobrazovací rozhraní apod. Dá se říct, že prakticky jde o klasickou analogovou smyčku, na kterou je naroubovaný obousměrný sériový digitální přenos dat mezi dvěma zařízeními, nejčastěji inteligentním senzorem a nějakým typem PLC (Programovatelný automat). Mimo vzájemného propojení pouze dvou zařízení však HART může fungovat i jako sběrnice, která umožňuje propojit a zajistit komunikaci mezi mnoha zařízeními.

Naopak HART lze využít například k následujícím účelům:

• Nastavení a přenastavení přístroje (např. senzoru)
• Čtení naměřených dat
• Diagnostika zařízení
• Dálkové řešení poruch a problémů
• Čtení a mazání stavových a chybových hlášení
• apod.

Protokol HART byl sice vyvinu již na konci 80. let, ale masivně začal být výrobci využíván a podporován koncem let 90.

Základní vlastnosti HARTu:

• K přenosu jednotlivých stavů bitů se využívá FSK klíčování
• Díky kontinuální změně fáze FSK, nevzniká elmag. rušení
• Přenosová rychlost je fixní 1200 b/s
• Komunikace typu Master - Slave (tj. např. senzor odpovídá, jen když jej o to žádá PLC)
• Na síť mohou být připojeny 1 nebo 2 Mastery (obvykle PLC a ruční servisní terminál)
• Komunikace typu bod-bod (point-to-point), multidrop (více zařízení na sběrnici) nebo speciální "burst" (Slave vysílá všem standardní odpovědní zprávu (reply message)

Princip funkce a bližší popis

Funkce, parametry i vlastnosti protokolu HART jsou plně specifikovány 3 vrstvami OSI modelu:

• Fyzická vrstva (Physical Layer) - 1. (nejnižší) vrstva OSI modelu
• Linková vrstva (Data Link Layer) - 2. vrstva OSI modelu
• Aplikační vrstva (Application Layers) - 7. (nejvyšší) vrstva OSI modulu

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva zajišťuje vzájemné fyzické propojení a přenos bitů (bitový tok) mezi dvěma nebo více propojenými zařízeními. K tomuto účelu popisuje mechanické a elektrické vlastnosti, včetně přenosového média. Tím v případě HARTu je měděné dvouvodičové vedení, nejvhodnější je stíněný zkroucený pár s vodiči průměru 0.81 mm nebo větší. Podle HART specifikace má smyčka obsahovat zařazený rezistor 230 až 1100 Ohmů, přičemž obvykle se doporučuje a využívá hodnota 250 Ohmů. Smyčka je obvykle napájena ze zdroje napětí 24 V DC, který by však měl mít zvlněné napětí max. 0.2 V a kvůli nízkým přeslechům mezi několika smyčkami napájené fyzicky jedním zdrojem, by měl být sériový odpor max. 10 Ohmů.

K přenosu jednotlivých bitů se využívá FSK klíčování (Frequency Shift Keying Bell 202) sinusové složky proudu přidané ke stejnosměrné složce proudu klasické analogové smyčky 4-20 mA, nebo v případě bez analogové komunikace jen na stejnosměrném hodnotě 4 mA. Zatímco logické úrovni 1 odpovídá frekvence sinusového signálu 1.2 kHz, hodnotě log. 0 odpovídá frekvence 2.2 kHz. Výhodu tohoto systému je plynulá změna fáze mezi oběma logickými stavy 1 a 0, čímž se negenerují vyšší harmonické složky jako u obdélníkových signálů a tedy se eliminuje elmag. rušení. Zároveň je tato modulace i sama osobě odolná proti vnějšímu okolnímu rušení. Výsledkem je možnost "dálkové" komunikace až na vzdálenost do 3 000 m. Při vzdálenost větších než 1000 m je však nutné hlídat kapacitu kabelu (měla by být menší než 100 pF/m). Přenosová rychlost je definována fixní 1200 b/s.

Linková vrstva (MAC)

Linková vrstva je zodpovědná za správný přenos dat komunikačním kanálem mezi komunikujícími zařízeními, směrování/řízení přenosu - přístup na médium (MAC = Media Access Control), organizuje přenášená data do paketů (rámců), zabezpečuje datový tok. U HART se využívá komunikace typu Master - Slave (žádost/odpověď), tedy přenos dat a přístup na sběrnici mnoha jednotlivých zařízení Slave (senzorů, akčních členů, terminálů apod.) je řízen nadřazenou jednotkou Master (obvykle PLC nebo PC, příp. servisní terminál). Přístup Slave jednotek na sběrnici je definován předáváním tzv. peška (tolken), který určuje jednotku, která bude v daném časovém úseku s Masterem "povídat". Komunikační perioda je určována časovačem, který když přeteče, je přístup odejmut a pešek se předává vedlejší sousední jednotce. Obvykle jde o časový úsek 500 ms. Data jsou přenášena po bajtech (8 bitech), podobně jako jiné sériové komunikace (např. RS-232), která jsou dále ve větším počtu organizována do rámců a zpráv.

Z pohledu topologie a komunikační struktury jsou možné následující varianty:

• Komunikace bod-bod (point-to-point) - jde o nejjednodušší variantu tvořící vzájemné propojení dvou jednotek (např. PLC a senzoru) a může fungovat společně s analogovým přenosem (přenos hodnoty změnou úrovně proudu).
  


• Komunikace multidrop - na jedné společné sběrnici je připojení jeden či dva Mastery a dvě či více Slave jednotek (až 16 jednotek při krátké 4 bitové adrese nebo až při dlouhé 32bitové adrese).
  


• Speciální komunikace "burst" - slave jednotka vysílá všem ostatním jednotkám odpovědní zprávu

Zatímco v případě komunikace bod-bod se obvykle HART využívá jako doplněk k analogové proudové smyčce, kde určité přenášené hodnotě veličiny odpovídá určitá hodnota proudu smyčkou, u multidropu již jde o plně digitální komunikaci, kde každé připojené zařízení si nastaví proud na nejnižší hodnotu, tj. 4 mA a k vzájemnému rozlišení Slave jednotek se využívá adresace. Adresa může být buď tzv. krátká 4bitová (hodnota 1-15), která byla definována v HART již od prvopočátku multidrop komunikace a adresy jednotlivým zařízením přiděluje Master, nebo tzv. 32bitová dlouhá, která se objevila v novějších verzích protokolu HART a je unikátní a pevně přidělená u každého Slave zařízení (skládá se z kódu výrobce, typu a sériového čísla). V případě komunikace bod-bod je pak hodnota adresy vždy nula (identifikace point-to-point komunikace).

Struktura zprávy (rámce) sběrnice HART při komunikaci multidrop

Význam jednotlivých polí rámce zprávy sběrnice HART:

• Preamble - alespoň 3 bajty s hodnotou 0xFF, slouží pro synchronizaci přenosu
• Start charakter - indikuje směr přenosu dat, označuje krátký, dlouhý formát rámce nebo burst mód
• Address - v případě Masteru je 1 bit určený pro výběr řadiče primární/sekundární, v případě jednotky Slave udávají adresu senzoru buď v krátkém formátu (4 bity) nebo dlouhém (32 bitů)
• Command - určuje číslo příkazu (např. 0 - přečti jednoznačný identifikátor senzoru, 1 - přečti hodnotu primární proměnné, 2 - přečti hodnotu výstupního proudu v % rozsahu atd. ); číslo příkazu je uvedeno i v odpovědi senzoru řadiči Master. Zde se právě uplatňuje výše zmíněné dělení příkazové sady.   
• Byte count - 1 bajt s počtem bytů přenášených jako status + data v následující sekci
• Status - v odpovědi senzoru na každý příkaz indikuje stav
• Data - eventuální data příkazu nebo odpovědi od senzoru (0 až 25 bajtů)
• Checksum - kontrolní součet zprávy od Start charakter bajtu

Aplikační vrstva

Aplikační vrstva definuje příkazy, odpovědi, datové typy a stavové informace podporované komunikačním protokolem. Navíc v případě HART se zde i řídí některé speciální věci, jako například nastavení proudu smyčkou. Celý přenos informací a komunikace je tvořena definovanými příkazy (commands). Ty jsou rozděleny do třech kategorií:

• Univerzální příkazy (Universal Commands) - jsou implementovány ve všech zařízeních podporujících standard HART a umožňují vzájemnou komunikaci mezi různými zařízeními různých výrobců. Obsahují: přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis, hodnotu proudu na výstupu a jeho procentuelní úroveň z rozsahu, sériové číslo, měřící rozsah a limity apod.
  


• Obecné praktické příkazy (Common Practice Commands) - jde o volitelné příkazy, které nemusí již být implementovány ve všech zařízeních HART. Obsahují možnost: čtení a volba až čtyř dynamických proměnných, změnu rozsahu vysílače, nastavení pevného výstupního proudu, provádění samotestování, zápis tlumící časové konstanty apod.
  


• Specifické příkazy zařízení (Device Specific Commands) - speciální příkazy, které jsou unikátní pro určitou skupinu přístrojů funkce. Například obsahují započetí a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů, nastavení a informace o kalibraci, specifické informace o stavu a konstrukci zařízení, čtení a zápis typu senzoru, mazání čítačů, servisní testování zařízení, softwarové spínání relé apod.

Ostatní softwarové "prostředí" HART jednotek je pak definováno několika specifikacemi (Command Summary, Common Tables a Command Response Code Specifications), které určují minimální prvky a položky (např. datové typy, obecné definice datových položek a procedur), které musí každé HART zařízení obsahovat, aby bylo kompatibilní se všemi ostatními HART jednotkami.

Datová struktura pak obsahuje následující položky:

• Digitální data v 35 až 40 proměnných
• Identifikace zařízení podle: označení, výrobce, typu, sériového čísla
• Kalibrační data/proměnné: horní a dolní hodnoty rozsahu, horní a dolní mezní limit senzoru, tlumení, datum poslední kalibrace
• Procesní proměnné: primární proměnné, sekundární měřící a parametry s více proměnnými
• Stavové a diagnostické výstrahy: selhání funkce, změny konfigurace, pokles napájení, zafixování nebo saturace hodnoty proudu ve smyčce, primární nebo sekundární proměnné mimo rozsah, chyba komunikace a další

Komunikace mezi HART a neHART zařízeními

HART je z pohledu podpory nadřazenými systémy na úrovni fyzické a linkové vrstvy, které obvykle pracují jako Master, nejčastěji k dispozici u systémů s PLC (Programmable Logic Controller) nebo PAC (Programmable Automation Controller), ale již není podporován výkonnějšími systémy jako jsou vestavné nebo různé průmyslové počítač (Embedded and Industrial PC), nehledě na klasická PC. Pro připojení například HART senzoru k PC pak slouží HART modemy a různé převodníky průmyslových sběrnic (multiplexers, gateways, convertors). Ty mohou převádět nejen komunikaci proudovou na napěťovou (např. RS-232, USB či RS-485), ale některé i umí transformovat strukturu HART rámce na strukturu paketu jiného komunikačního standardu.

Z pohledu čtení, zpracování dat a komunikace na úrovni aplikační vrstvy už dnešních OPC servery HART datovou strukturu plně podporují a není tedy veškeré nastavování odkázané jen na ruční (servisní) terminály (HART Communicator), které se dají ke sběrnici připojit také jako druhý Master.

Mimo samotných komunikačních převodníků jsou nabízeny i inteligentní jednotky (malé jednoúčelové PLC), které umí dekódovat informace obsažené v HART rámcích a datech a podle nich spínat příslušné výstupy. Jejich prostřednictvím lze zapínat či vypínat zařízení, hlásit ALARM stavy (např. překročení kritických hodnot naměřených senzory) apod.

Závěr

HART komunikaci dnes lze nalézt u mnoha vyspělých senzorů, které jsou vybaveny napojením na proudovou smyčku. Protože je přenos dat pomocí proudu z pohledu elektromagnetického rušení odolnější než napěťový přenos, lze ho nasadit i do provozů těžkého průmyslu a bez problémů ho použít i na větší vzdálenosti bez potřeby opakovačů nebo jiných jednotek pro rekonstrukci bitového toku. Nevýhodou je pak o něco složitější diagnostika a hledání případných poruch.

Protokol HART je pak celosvětově spravován organizací HART Communication Foundation (HART® is a registered trademark of the HART Communication Foundation), na jejíž stránkách najdete jak detailnější popis všeho okolo HART, tak i další odkazy.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky organizace HART Communication Foundation - www.hartcomm.org
• Domovské stránky firmy Pepperl&Fuchs, výrobce senzorů - www.pepperl-fuchs.com