Сеть на основе HART-протокола

Описанный выше обмен информацией между двумя устройствами (типа "точка-точка") является наиболее типичным применением HART-протокола. Однако HART-устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифровую часть HART-протокола, без аналоговой, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART-устройства параллельно. Максимальное количество устройств в сети может составлять 15, если не использовать HART-повторители (ретрансляторы, репитеры). HART-сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. Этим же объясняются крайне низкие требования к полосе пропускания кабеля (2,5 кГц по уровню - 3 дБ). Такой полосе соответствует постоянная времени линии передачи 65 мкс, т.е. при сопротивлении линии 250 Ом ее емкость может достигать 0,26 мкФ, что соответствует длине кабеля около 2...3 км (табл. 2.5).

Табл. 2.5. Зависимость длины кабеля от погонной емкости
Количество устройств в сети	Длина кабеля при погонной емкости
65 пФ/м	95 пФ/м	160 пФ/м	225 пФ/м
	2800 м	2000 м	1300 м	1000 м
	2500 м	1800 м	1150 м	900 м
	2100 м	1600 м	1000 м	750 м
	1800 м	1400 м	900 м	700 м

В сети могут быть два ведущих устройства, одним из которых является контроллер, вторым - ручной коммуникатор, используемый для считывания показаний и установки параметров HART-устройств. Коммуникатор может быть подключен в любом месте сети, но обычно доступными являются только клеммы датчиков или коммутационные клеммы в монтажном шкафу.

Сеть допускает горячую замену или добавление новых устройств (т.е. без отключения питания). В случае сбоя, например, при случайном коротком замыкании, сеть повторяет невыполненные операции обмена.

В HART-сети только один узел может посылать сигнал, в это время остальные "слушают" линию. Инициирует процедуру обмена ведущее устройство (контроллер или ручной коммуникатор). Ведомые получают команду и посылают ответ на нее. Каждое ведомое устройство имеет персональный сетевой адрес, который включается в сообщение ведущего устройства. Адрес имеет длину 4 бита ("короткий адрес") или 38 бит ("длинный адрес"). Имеется также второй способ адресации - с помощью тегов (идентификаторов, назначаемых пользователем).

Каждая команда или ответ на нее называются сообщением и имеют длину от 10... 12 байт до 20...30 байт. Сообщение начинается с преамбулы и заканчивается контрольной суммой (рис. 2.18). Элементы сообщения (слова) перечислены в табл. 2.6.

Табл. 2.6. Значения слов в HART-сообщении
Обозначение	Название	Длина в байтах	Назначение
PA	Преамбула	5...20	Синхронизация и обнаружение несущей
SD	Признак старта		Указывает формат сообщения и источник сообщения
AD	Адрес	1 байт или 38 бит	Указывает адреса обоих устройств
CD	Команда		Сообщает подчиненному, что нужно сделать
BC	Количество байт в DT		Показывает количество байт между BC и CHK
ST	Статус	0 если ведущий 2 если ведомый	Сообщает ошибки обмена данными, состояние устройства
DT	Данные	0...253	Аргумент, соответствующий команде CD
CHK	Контрольная сумма		Обнаружение ошибок

Преамбула представляет собой последовательность единиц и предназначена для синхронизации приемника с передатчиком. Длина преамбулы зависит от требований ведомого устройства. Когда ведущее устройство выполняет обмен с ведомым первый раз, оно посылает максимально длинную преамбулу, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. В ответе ведомого содержится требование к длине преамбулы. Эта длина сохраняется в памяти ведущего устройства и используется в последующих сообщениях. Поскольку различные ведомые могут иметь различные требования к преамбулам, ведущий формирует в своей памяти таблицу преамбул. В настоящее время все новые устройства имеют преамбулу длиной 5 байт.

Ведомое устройство может быть защищено от записи. Обычно это выполняется с помощью переключателя на плате.

Контрольная сумма используется для обнаружения ошибок в данных. Если ошибка обнаружена, обычно выполняется повторный обмен сообщениями.

Ведомое устройство может иметь режим ускоренной передачи ("burst mode"), при котором оно периодически посылает ответ на ранее принятую команду, хотя ведущий не посылает ее повторно. Это сделано для увеличения частоты получения значений измеряемой величины от датчика (до 3...4 раз в секунду [HART]) в случае необходимости. Только одно устройство может находиться в таком режиме (его еще называют монопольным), поскольку линия передачи оказывается занята. После выключения и повторного включения питания ведомое устройство остается в монопольном режиме и перевести его в обычный режим можно только командами с номерами 107, 108, 109, которые посылают в паузах между периодическими ответами ведомого устройства.

Сеть на основе HART-протокола может подключаться к другим сетям (Modbus, Profibus, Ethernet) с помощью соответствующих шлюзов. В сети также широко используются мультиплексоры, позволяющие подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и одновременно выполнить роль шлюза. Для подключения сети или HART-устройства к компьютеру необходим специальный HART-интерфейс, который выпускается рядом производителей. Программный доступ SCADA к HART-устройствам выполняется с помощью HART OPC сервера.

Адресация

Каждое HART-устройство должно иметь уникальный адрес. Посылаемые ведущим устройством адреса декодируются одновременно всеми устройствами, находящимися в сети. Однако отвечает только то устройство, чей адрес совпадает с принятым.

Метод адресации в HART протоколе содержит несколько потенциальных проблем. Стандартом предусмотрено два вида адресов: короткий адрес (длиной 4 бита) и длинный адрес (длиной 38 бит). В настоящее время используется комбинация короткого и длинного адреса. Длинный адрес устанавливается изготовителем HART-устройства и не может быть изменен пользователем.

Когда новое устройство подключено к сети, возникает проблема, как узнать его длинный адрес, поскольку для того, чтобы считать из памяти HART устройства его адрес, к нему надо сначала обратиться, а обращение уже требует знания адреса. Перебрать все адреса невозможно, т. к. их очень много (). Проблема решается применением команды с номером 0, которая использует короткий адрес для обращения к устройству и позволяет считать из него длинный адрес.

Обычно перед монтажом сети сначала считывают длинные адреса всех устройств и составляют их базу данных, и только после этого строят сеть.

Существует второй способ узнать длинный адрес устройства - с помощью команды с номером 11, которая обращается к устройствам не по адресу, а по имени тега. Она применяется, если в сети более 15 устройств (это возможно, если используются повторители) или если устройствам не присвоены короткие адреса.

Длинный адрес формируется из 40-битного уникального идентификатора HART-устройства (рис. 2.19) путем отбрасывания двух старших битов. Поэтому адрес получается 38-битным. Уникальный идентификатор HART-устройства состоит из идентификатора изготовителя (IDизготовителя), кода типа HART-устройства и серийного номера, который занимает 3 байта.

Рис. 2.19. Структура уникального идентификатора HART-устройства

Следующая проблема HART-протокола связана с тем, что идентификатор (ID) изготовителя (рис. 2.19) имеет длину всего 8 бит, т.е. с его помощью можно однозначно идентифицировать только 256 изготовителей, что слишком мало. Поэтому для идентификации изготовителя используются также часть поля серийного номера.

Еще одна проблема адресации связана с тем, что для получения длинного адреса используются только 6 бит из идентификатора изготовителя. Это означает, что четыре устройства с разными уникальными идентификаторами могут иметь один и тот же длинный адрес. Для устранения этой проблемы схему адресации выпускаемых устройств каждый изготовитель должен согласовывать с организацией HCF.

Короткий адрес имеет еще одно назначение: с его помощью отключают возможность использования в HART сообщении аналогового токового сигнала, что необходимо для объединения нескольких устройств в сеть. Перевод HART устройства в этот режим называется парковкой ("parking") и выполняется путем установления значения короткого адреса равным 1...15.

Команды HART

HART-команды бывают трех типов: универсальные, общепринятые и специфические. Универсальные и общепринятые команды устанавливаются стандартом на HART-протокол и выполняют чтение и запись серийного номера устройства, тега, дескриптора, даты, рабочей области памяти, номера версии устройства и т. п. Эти параметры изменяются редко и поэтому хранятся в ЭППЗУ.

Специфические команды создаются изготовителем конкретного устройства и могут иметь идентификационные номера от 128 до 253. Поэтому одни и те же функции у разных производителей могут иметь различные номера. Команда с номером 255 не используется, чтобы ее можно было отличить от преамбулы (которая состоит из последовательности логических единиц). Команда с номером 254 зарезервирована.

Приведем примеры универсальных команд:

"Считать имя изготовителя и тип устройства",

"Считать переменную и единицу измерения",

"Считать переменную как величину тока и в процентах от диапазона",

"Считать или записать 8-симольный тег, 16-символьный дескриптор и дату",

"Считать или записать 32-символьное сообщение",

"Считать диапазон значений переменной и единицу измерения",

"Считать или записать серийный номер устройства",

"Записать тег, описатель и дату ",

"Записать адрес устройства".

Примеры распространенных команд:

"Считать четыре динамические переменные",

"Записать постоянную демпфирования",

"Записать диапазон измерения",

"Калибровать",

"Задать фиксированное значение выходного тока",

"Выполнить самодиагностику",

"Выполнить сброс",

"Настроить ноль",

"Записать единицы измерения",

"Настроить ноль и коэффициент передачи АЦП",

"Записать функцию преобразования",

"Записать серийный номер сенсора".

Примеры специфических команд:

"Записать уставку ПИД-регулятора",

"Включить ПИД-регулятор",

"Считать или записать калибровочные коэффициенты",

"Подстроить сенсор",

"Установить позицию клапана".