HART-протокол, принцип его работы на физическом уровне. Применение HART-протокола в системах автоматизации
HART — это промышленный протокол цифровой связи, применяемый в системах автоматизации совместно со стандартным аналоговым сигналом 4–20 мА.
Название HART происходит от Highway Addressable Remote Transducer.
Главная особенность HART заключается в том, что по одной и той же двухпроводной линии одновременно передаются:
аналоговый токовый сигнал 4–20 мА;
цифровая информация HART.
Принцип работы на физическом уровне
На физическом уровне HART использует частотную манипуляцию — FSK.
На постоянный токовый сигнал 4–20 мА накладывается переменный цифровой сигнал малой амплитуды.
Используются две частоты:
1200 Гц — соответствует логической 1;
2200 Гц — соответствует логическому 0.
Передача данных обычно выполняется со скоростью около 1200 бит/с.
Поскольку среднее значение синусоидального FSK-сигнала равно нулю, цифровая передача практически не изменяет среднее значение тока 4–20 мА. Поэтому аналоговый и цифровой сигналы могут существовать одновременно в одной линии.
Упрощённо:
4–20 мА + цифровой FSK-сигнал = общая линия HARTНапример, ток 12 мА может передавать основное измеренное значение, а поверх него по HART одновременно передаются:
единицы измерения;
диапазон;
серийный номер;
диагностические данные;
дополнительные переменные.
Состав HART-линии
В типичную HART-цепь входят:
источник питания;
датчик или преобразователь с HART;
токовая петля 4–20 мА;
нагрузочный резистор;
контроллер или система управления;
HART-модем или коммуникатор.
Для устойчивой цифровой связи в токовой петле должна быть достаточная нагрузка. На практике часто используется сопротивление порядка 250 Ом.
Режим обмена
HART обычно работает по принципу ведущий–ведомый.
Ведущее устройство посылает запрос, а полевой прибор отвечает.
В роли ведущего могут выступать:
контроллер;
система управления;
HART-коммуникатор;
компьютер с HART-модемом.
Протокол допускает наличие основного и дополнительного ведущего устройства.
Какие данные можно передавать по HART
Помимо основного аналогового сигнала можно получать:
текущее измеренное значение;
дополнительные измеряемые параметры;
состояние прибора;
диагностические сообщения;
верхний и нижний пределы диапазона;
единицы измерения;
информацию о настройке;
идентификатор устройства;
серийный номер;
данные калибровки и конфигурации.
Применение HART в системах автоматизации
HART широко используется с интеллектуальными полевыми приборами:
датчиками давления;
датчиками температуры;
уровнемерами;
расходомерами;
позиционерами регулирующих клапанов;
многопараметрическими преобразователями.
Например, преобразователь давления может выдавать в систему управления сигнал:
4–20 мА → текущее давлениеа через HART дополнительно передавать:
температуру датчика, диапазон измерения, состояние прибора, диагностику, серийный номер.Преимущества HART
Основные преимущества:
совместимость с традиционными линиями 4–20 мА;
не требуется отдельный кабель для цифровой связи;
возможность удалённой настройки приборов;
получение диагностической информации;
возможность чтения дополнительных параметров;
удобство технического обслуживания;
широкая распространённость в промышленной автоматике.
Недостатки
К недостаткам можно отнести:
сравнительно небольшую скорость передачи данных;
необходимость соблюдения требований к сопротивлению и качеству линии;
меньшую пропускную способность по сравнению с современными промышленными Ethernet-сетями.
Кратко для ответа по билету
HART — это цифровой промышленный протокол, работающий совместно с аналоговым сигналом 4–20 мА. На физическом уровне цифровые данные передаются методом FSK: частота 1200 Гц соответствует логической 1, 2200 Гц — логическому 0. Цифровой сигнал накладывается на токовую петлю и не изменяет среднее значение 4–20 мА.
HART применяется для связи с интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами, их удалённой настройки, диагностики и передачи дополнительных параметров без прокладки отдельной линии связи.