CC BY
29
PRIMJENA HART PROTOKOLA ZA KOMUNIKACIJU SA PAMETNIM UREDAJIMA U POLJU
Adnan M. Mulaosmanovic
Global Ispat Koksna Industrija Lukavac, Bosna i Hercegovina
e-adresa: adnan.mulaosmanovic@gmail.com
DOI: 10.5937/vojtehg63-7279
OBLAST: telekomunikacije VRSTA CLANKA: strucni clanak JEZIK CLANKA: srpski
Sazetak:
Pametni instrumentacijski protokoli su dizajnirani za aplikacije gdje se podaci prikupljaju sa instrumenata, senzora i aktuatora koristeci digi-talne komunikacijske metode. HART protokol je tipicni predstavnik pa-metnog instrumentacijskog Fieldbus-a. Vise od 40 miliona HART ureda-ja je instalirano u cijelom svijetu, a HART tehnologija predstavlja nejrasi-reniji komunikacijski protokol za inteligentne procesne instrumente. Dva komunikacijska kanala podrzana su od strane HART uredaja, a to su strujni krug 4-20 mA i HART digitalni komunikacijski kanal. Digitalni komunikacijski kanal simultano salje informacije preko istih zica i bez ome-tanja analognog kanala. Ovaj dvosmjerni komunikacijski kanal osigurava real time pristup podacima dostupnim na HART pametnim uredajima. U ovom radu govorit ce se o osobinama i primjeni HART protokola.
Kljucne reci: HARTprotokol,signali, protokoli, digitalizacija.
Uvod
Jedan od najrasprostranjenijih standarda za komunikaciju na nivou mjerenja i procesne regulacije je HART protokol, razvijen od strane Ro-semount Inc, a nakon ustupanja svih prava nezavisnoj Hart Communication Foundation (HCF) fondaciji. Ovo je otvoreni standard u vlasnistvu vise od 290 (podatak iz septembra 2013. godine) firmi clanica okupljenih u HCF. HART (Highway Addressable Remote Transducer) protokol je naj-cesce koristena komunikaciona tehnologija za pristup inteligentnim uredajima. Uredaji koji koriste HART protokol koriste i analogni standardni strujni signal 4-20 mA i digitalni signal, koji obezbjeduje veliku fleksibil-nost koja se ne moze naci ni kod jedne druge komunikacione tehnologije (HART Communication Foundation, 2014).
(rn)
Drugim rijecima, HART je hibridni komunikacioni standard sa jednim kanalom, putem kojeg se prenosi jedna informacija analognim signalom od 4 do 20 mA DC, i drugim kanalom za digitalni prenos razlicitih informacija putem strujnih impulsa koji predstavljaju digitalne vrijednosti 0 i 1. Digitalni strujni impulsi se superponiraju na analogni DC strujni signal, tako da se putem iste parice simultano prenose oba signala (analogni i digitalni)
HART je tipicni request-response komunikacioni protokol (master -slave), sto znaci da u toku normalnog rada svaki uredaj u polju moze da bude prozvan od strane glavnog komunikacionog uredaja (host). U toku normalnog rada vrijeme odziva iznosi priblizno 500 ms za svaki uredaj u polju, bez ometanja prenosa analognog signala. Obicno postoji moguc-nost spajanja dva hosta na svaki HART krug. Primarni host je obicno
- DCS (Distributed Control System),
- PLC (Programmable Logic Controller),
- PC (Personal Computer).
Sekundarni host je obicno rucni terminal za parametriranje uredaja (mjerne opreme - transmitera, aktuatora ili kontrolera) ili drugi PC racunar.
Neki HART uredaji podrzavaju opcioni "burst" rezim komunikacije koji omogucava brzu komunikaciju, 3 - 4 osvjezenja podataka po sekun-di. U "burst" modu, host nalaze uredaju u polju da konstantno salje stan-darniju reply poruku (na primjer, vrijednost procesne varijable). Host prima ove ubrzane poruke sve dok ne javi uredaju u polju da prestane sa ovakvim nacinom rada (HART Communication Foundation, 2014).
Karakteristike HART protokola
HART komunikacijski protokol baziran je na Bell 202 telefonskom komunikacijskom standardu i radi primjenom FSK modulacije (frequency shift keying - frekventna modulacija). Na ovaj nacin omoguceno je super-poniranje digitalnog signala na postojeci analogni signal. Digitalni signal se sastoji od dvije frekvencije 1200 Hz koja predstavlja digitalnu 1, i 2200 Hz koja predstavlja digitalnu 0. Posto je srednja vrijednost FSK signala jednaka nuli, prenos podataka ne utice na vrijednost analogne velicine (4-20 mA) koja se prenosi.
Kao druga brza opcija prenosa podataka na fizickom nivou u verzija-ma HART 6 i HART 7 moze se koristi Phase Shift Keying (PSK). PSK po-drzava znatno brzu komunikaciju sa standardnim command/ response (zahtjev/odgovor) propusnom moci od 10 do 12 transakcija po sekundi simultano sa analognim signalom 4-20 mA. Ovo je standardom odobrena specifikacija, ali komercijalno jos nisu dostupna elektronicka kola koja bi omogucila implementaciju za dvozicne uredaje (HART Communication Foundation, 2014).
-Digitalni HART signal -Analogni signal 4-20 mA
7.5-
6.5h
< E
.2. 6p 55 5.5-
4.5-
0.5 1 1.5 2 2.5
Vrijeme(sec)
S/Aa 7 - HART digitalni signal Figure 1 - Digital HART signal Рис. 1 - цифровой HART-сигнал
хю
Kada se pogleda standardni transmiterski HART strujni krug, pored transmitera i napojne jedinice u krugu se nalazi obicno i otpornik od 250Q (min 230 Q). Ovaj otpornik sluzi za stvaranje naponskog signala 15 V, kojeg mogu detektovati naponski osjetnici, bilo da se radi o indikato-ru, kontroleru ili pisacu. Vecina PLC kartica koje imaju mogucnost HART komunikacije imaju ugraden dodatni otpornik. Medutim, ukoliko se koristi HART modem, neophodno je poznavanje duzine kabla i njegove otpor-nosti da bi se znalo da li je neophodno dodavati dodatni otpornik u komu-nikacioni krug. Za relativno kratke distance, npr. 100 m, moze se sa si-gurnoscu uzeti dodatni otpor od 250 Q koji ce se staviti u komunikacioni krug. Stoga je neophodno voditi racuna da u HART strujnom krugu ukup-ni otpor kruga (precizni otpornik i otpor kablova) bude izmedu 250 Q i 1100 Q. Vrlo cesto se desava da prilikom provjere HART uredaja na is-pitnom stolu tehnicari zaborave postaviti u strujni krug odgovarajuci otpornik, te samim tim nailaze na problem u ostvarivanju komunikacije sa samim uredajem. S druge strane, prevelik otpor kruga, cak i od 1100 Q, moze dovesti do prevelikog pada napona, te samim time ugroziti rad transmitera koji nece imati dovoljno napona za normalan rad.
Transmiter
Slika 2 - Povezivanje HART modema Figure 2 - HART modem connection Рис. 2 - подключение HART-модема
HART transmiter moze se modelirati sa dva paralelna strujna izvora -jedan DC i jedan kao AC izvor. DC strujni izvor osigurava signal od 4 do 20 mA koji predstavlja procesnu velicinu i analogni strujni izlaz. AC strujni izvor se ukljucuje i iskljucuje po potrebi da kreira (ugradi) HART audio fre-kvencijski signal od 1 mA P-P (1 mA peak-to-peak), koji je neophodan za komunikaciju. Unutar transmitera se nalazi i HART modem za interpretaci-ju AC naponskih tonova kao HART paketa. Stoga se prenos podataka od-vija putem AC strujnog izvora, a primanje podataka se odvija putem na-ponski osjetljivog modema, i to sve u sklopu transmitera i koristeci samo jednu paricu koja prenosi 4-20 mA DC signal (Kuphaldt, 2014).
HART komunikator
Slika 3 - Model HART transmitera Figure 3 - HART transmitter model Рис. 3 - модель HART-трансмиттера
(Ш>
Radi jednostavnosti spajanja u polju, HART uredaji su dizajnirani tako da se mogu spajati paralelno jedan sa drugim. Na ovakav nacin otklanja se potreba za prekidom strujnog kruga (petlje) i prekidom DC strujnog signala svaki put kada se zeli spojiti HART komunikator za komunikaciju sa transmiterom. HART komunikator se moze modelirati kao AC naponski iz-vor (jer HART standard definise da master uredaj u HART mrezi salje AC naponski signal, dok slave uredaj salje AC strujni signal), zajedno sa drugim HART naponski osjetljivim modemom za prijem HART podataka.
Generalno, uputstva proizvodaca HART komunikatora preporucuju direktno paralelno spajanje sa HART instrumentima. Medutim, validno je i vrlo cesto i uobicajeno spajanje komunikatora paralelno sa otpornikom kao na narednoj slici, posebno zbog same fizicke izvedbe strujnog kruga i jednostavnijeg spajanja na izvode otpornika nego na redne stezaljke.
Slika 4 - Spajanje HART komunikatora Figure 4 - HARTcommunicator device connection Pue. 4 - noflKTiKweHMe HART-KOMMyHMKaTOpa
Struktura HART protokola
HART protokol bazira se na OSI (Open System Interconnection) re-ferentnom modelu koji je razvijen od strane ISO (ISO - International Organization for Standardization) (DIN ISO 7498). OSI model obezbjeduje strukturu i sve neophodne elemente komunikacionog sistema. Sam
(M)
HART protokol koristi reducirani OSI model, gdje su implementirana samo tri nivoa (sloja) od ukupno sedam, a to su nivoi: nivo 1 - fizicki sloj (Layer 1), nivo 2 - sloj veze (Layer 2) i nivo 7 - aplikacijski sloj (Layer 7).
Prvi nivo (Layer 1) predstavlja fizicki nivo komunikacije, koji radi na FSK principu kako je vec prethodno navedeno.
Drugi nivo (Layer 2) predstavlja sloj veze i utvrduje format HART poru-ka. Posto je HART master-slave protokol, sve komunikacijske aktivnosti po-ticu od master-a. Struktura HART poruka bit ce navedena u nastavku rada.
Sedmi nivo (Layer 7) predstavlja aplikacijski nivo, koji uvodi set in-strukcija za komunikaciju. Master salje poruke sa zahtjevima za odrede-ne varijable (vrijednosti) prema uredajima u polju. Ove varijable mogu biti razlicitog tipa. Uredaji u polju "tumace" ove zahtjeve kako je to definisano u HART-u i salju ih prema master-u. Da bi komunikacija izmedu uredaja bila sto efikasnija, razvijene su klase uskladenosti za master uredaje, kao i klase komandi za opremu u polju. Postoji sest klasa uskladenosti za master uredaje, dok su komande za opremu u polju podijeljene na tri ka-tegorije (Boyes, 2009). Klase uskladenosti su:
- citanje mjerene varijable,
- citanje univerzalnih informacija,
- pisanje uobicajenih (standardnih) parametara,
- citanje specificnih informacija,
- pisanje izabranih parametara,
- citanje i pisanje cjelokupne baze podataka.
Klase HART komandi, kao sto je vec receno, podijeljene su u tri gru-pe: univerzalne (Universal), uobicajene (Common Practice) i specificne (Device-Specific).
Topologije HART-a
HART uredaji mogu da rade u dvije razlicite mrezne konfiguracije: Point-to-Point ili Multidrop. Point-to-point topologija je najcesce koristeni nacin spajanja HART uredaja na upravljacki sistem. U Popint-to-Point modu signal 4-20 mA se koristi za jednu procesnu varijablu, dok se do-datne procesne varjable, konfiguracijski parametri i ostali podaci koji se nalaze na uredaju prenose digitalno koristenjem HART protokola. Za vri-jeme digitalne HART komunikacije analogni signal ostaje nepromjenjen i moze biti koristen za procesno upravljanje. Digitalni HART signal daje pristup sekundarnim varijablama i drugim podacima koji se mogu koristiti u svrhu odrzavanja i dijagnostike.
Multidrop mod rada je i glavna funkcionalnost HART protokola koju su dizajneri protokola zeljeli, ali se ona relativno rijetko koristi u industriji. Vise HART instrumenata moze se spojiti medusobno paralelno na jednu paricu
(l65>
radi razmjene informacija izmedu tih instrumenata i hosta. Multidrop mod rada zahtjeva samo jednu paricu i dodatnu napojnu jedinicu koja napaja do 15 uredaja (HART 5) ili 62 uredaja (HART 7). Sve procesne vrijednosti se prenose digitalno. U ovom modu rada sve adrese uredaja koje su na mrezi (u jednom krugu) moraju biti jedinstvene u opsegu od 1 do 15 (ili 1-63 u zavisnosti od revizije HART protokola), i struja kroz svaki od njih mora biti fiksna na minimalnoj vrijednosti (4 mA). Za komunikaciju sa uredajima u polju koriste se standardne HART komande za citanje procesnih varijabli ili parametara uredaja. Glavni nedostatak ovakvog nacina rada HART uredaja je relativno mala brzina prenosa od 1200 bps (bita po sekundi). Vremen-ski ciklus koji je neophodan da se iscita jedna informacija sa uredaja iznosi aproksimativno 500 ms. To znaci da za mrezu od 15 uredaja vrijeme neo-phodno za skeniranje i citanje primarne varijable (mjerne velicine) sa svih uredaja iznosi aproksimativno 7,5 sekundi. Multidrop nacin spajanja instrumenata obicno se koristi u slucajevima kada se vrsi mjerenje i kontrola na instalacijama koje su znatno razudene, kao sto su cjevovodi, kao i za mjerenja cije su promjene relativno spore.
Slika 5 - HART uredaji spojeni u multidrop mrezu Figure 5 - HART field devices connected in a multidrop network Рис. 5 - HART-устройства соединенные в мультидропную сеть
Kod projektovanja multi-drop HART mreze mora se obratiti paznja na sledece:
- karakteristike kablova koji se koriste,
- startnu struju svih uredaja na mrezi,
- struju ustaljenog stanja svih uredaja,
- minimalni startni napon svih uredaja,
- napojnu jedinicu koju koriste uredaji na mrezi (aktivni izvor napaja-nja ili napajanje kroz krug).
(Ш)
Kablovi i napajanje
Teoretska gornja granica duzine kablova prilikom instalacije za HART iznosi 3000 m, sto je zadovoljavajuce za vecinu instalacija. Medu-tim, elektricne karakteristike kabla, vecinom kapacitansa, ali i otpornost kablova, kao i broj uredaja koji su spojeni na njega, mogu znatno uticati na maksimalnu dozvoljenu duzinu. Sledeca formula moze se koristiti za izracunavanje maksimalne duzine kabla (Park,et al, 2003):
f _ |EC « 10300j
gdje su:
L - maksimalna duzina u metrima R - ukupni otpor kruga (Q)
C - Kapacitansa kabla
Cf- maksimalni kapacitet uredaja (pF).
aF
Ako se uzme da su dati sledeci podaci R=250 Q, C=150 — i Cf=5000 pF, tada se moze izracunati da je maksimalna dozvoljena duzina kabla L=1633 m.
Uzemljenje takode moze znatno uticati na interferenciju na HART petlji, te se stoga mora obratiti posebna paznja i na uzemljenje. Signalna petlja treba biti spojena na uzemljenje samo na jednom mjestu, odnosno u jednoj tacki. Generalno, najbolja lokacija za spajanje uzemljenja je u razvodnom ormaru, u blizini napojne jedinice. U novije vrijeme cesto se primjenjuje i standard IEC 61000-5-2 (IEC 61000-5-2 Electromagnetic compatibility EMC-Part 5 Installation and mitigation guidelines) koji pre-porucuje uzemljenje kabla na svakom kraju point-to-point instalacije i na svakom kraju multidrop instalacije. Na ovakav nacin osigurava se najbolja zastita od EMC, kao i sigurnost. Ovaj metod pretpostavlja da su sve tacke uzemljenja na istom potencijalu (ekvipotencijalna mreza).
Napojne jedinice takode mogu da ometaju ispravan rad HART uredaja, te se stoga mora voditi racuna o kvaliteti napojnih jedinica koje se koriste. Generalno se moze reci da vecina napojnih jedinica industrijskih proizvodaca zadovoljava sve neophodne uslove HART specifikacije. Po-znato je da neki tipovi solarnih napajanja stvaraju smetnje u HART komu-nikaciji. Upravljacke jedinice punjenja koje rade na principu pulsno-sirin-ske modulacije mogu stvarati znatne smetnje u radu uredaja, te se stoga mora obratiti posebna paznja na njihove karakteristike. Karakteristike koje je neophodno da ispunjavaju napojne jedinice koje se koriste za HART komunikaciju date su kao (http://www.hartcomm.org, nd):
- maksimalna valovitost (47 - 125 Hz) = 0,2 V p-p,
- maksimalni sum (500 Hz - 10 kHz) = 1,2 mV rms,
- maksimalna serijska impedansa (500 Hz - 10 kHz) = 10 Q.
d67>
Tabela 1 - Dozvoljene duzine kablova Table 1 - Allowable cable lengths Таблица 1 - Допустимая длина кабелей
Kapacitansa kabla (pf/m) Duzina kabla (m)
Broj uredaja na mrezi 65 pf/m 95 pf/m 160 pf/m 225 pf/m
1 2768 2000 1292 985
5 2462 1815 1138 892
10 2154 1600 1015 769
15 1846 1415 892 708
Struktura HART poruke
Struktura HART poruka moze se prikazati kao na sledecoj slici (SAMSON, 2012).
Slika 6 - Struktura HART okvira Figure 6 - HART data link frame format Рис. 6 - Структура HART окружения
PREAMBLE - preambula, predstavlja 5 do 20 bajta heksadekadne vrijednosti FF (sve digitalne 1), i pomaze prijemniku da sinhronizuje niz podataka.
START - Start Character (starni karakter) moze imati vise vrijednosti i ukazuje na tip poruke: master to slave, slave to master, ili burst poruka od uredaja, a takode i adresni format tj. da li se radi o kratkom okviru ili dugom okviru.
ADDR - Address (adresa) ukljucuje i adresu izvora (mastera) i adre-su uredaja (slave). U formatu dugog okvira ima 38 bita i sadrzi jedinstve-ni identifikator odgovarajuceg uredaja.
COM - Command, komandni bajt sadrzi jednu od HART komandi. Uni-verzalne komande su u opsegu od 0 do 30; uobicajene komande su u opse-gu od 32 do 126, dok su specificne komande u opsegu od 128 do 253.
BCTN (byte count) - broj bajta sadrzi broj bajtova koji slijede u statu-snom i podatkovnom dijelu. Prijemnik ovu informaciju koristi da sazna ka-da ce poruka biti kompletna.
STATUS - statusno polje ima dva bajta i javlja se samo u porukama odgovora sa slejva (sa uredaja). Ovo polje sadrzi informaciju o greskama komunikacije u odlazecoj poruci, statusu primljene komande i o statusu samog uredaja.
<шТ)
DATA - polje podataka moze i ne mora biti popunjeno (ne mora po-stojati), u zavisnosti od konkretne komande. Univerzalne i uobicajene po-ruke koriste do 32 bajta (HART 6 ukljucuje univerzalne komande 20, 21, i 22 koje koriste nove 32-bitne Long Tag karektere), dok za verziju HARTA 5 ovo polje iznosi 25 bajta. Takode, u buducnosti se moze ocekivati da ce se ovo polje prosiriti u narednim HART revizijama.
CHK - checksum - ovaj bajt se kreira na osnovu provjere ekskluziv-nog ILI (EXOR) ili provjere uzduznog pariteta za sve prethodne bajte (po-cevsi od startnog karaktera). Zajedno sa paritetnim bitom pripojenim na svaki bajt na ovaj nacin se otkrivaju greske u komunikaciji.
HART komande
HART komande su podijeljene u tri grupe: univerzalne (Universal), uobicajene (Common Practice) i specificne (Device Specific) (HART Communication Foundation, 2014). Svi uredaji koji koriste HART protokol moraju da podrzavaju univerzalne komande. One obezbjeduju pristup in-formacijama (podacima) koje se koriste u normalnom radu, kao sto je ci-tanje primarne varijable i njene mjerne jedinice. Uobicajene komande obezbjeduju funkcionalnosti koje koriste mnogi, ali ne i svi HART uredaji. Ukoliko su te komande implementirane, treba ih koristiti za realizaciju nji-hovih funkcija. Specificne komande predstavljaju funkcije koje su jedin-stvene za svaki posebni uredaj. Ove komande pristupaju postavkama i kalibracionim informacijama, kao i informacijama koje su vezane za sa-mu konstrukciju uredaja. Informacije o ovim komandama obezbjeduje sam proizvodac opreme. Univerzalne komande koje koristi HART su:
- citanje informacija o proizvodacu i tipu uredaja,
- citanje primarne varijable (PV) i mjerne jedinice,
- citanje strujnog izlaza i procentualne vrijednosti opsega mjerene velicine,
- citanje do 4 predefinisane dinamicke varijable,
- citanje i pisanje korisnickih tekstualnih poruka,
- citanje informacija o senzoru (opseg uredaja, mjerne jedinice),
- citanje i pisanje broja za asembliranje,
- pisanje pool adrese.
Uobicajene komande su:
- citanje do 4 dinamicke varijable,
- postavljanje operativnih parametara,
- kalibracija,
- postavljanje fiksnog strujnog izlaza,
- izvodenje samotesta i glavnog reseta,
- postavljanje PV jedinica,
- skracenje PV nula,
- skracenje DAC nula i pojacanja,
- postavljanje prenosne funkcije (funkcija kvadratnog korjena ili line-arna funkcija),
- postavljanje serijskog broja senzora,
- citanje ili postavljanje (dodjeljivanje) dinamickih varijabli.
Wireless HART
HART 7 ukljucuje, pored zicane komunikacije, i bezicnu komunikaci-ju prema opremi u polju. WirelssHART je prvi standard koji definise be-zicni prenos podataka za aplikacije u procesnoj industriji. Objavljen je 2007. godine od strane HART Communication Foundation, a odobren u aprilu 2010. godine od strane IEC kao medunarodni standard IEC 26591. Uloga WirelessHART-a je da se sacuva postojeca oprema i sva stecena znanja kod instalacije i odrzavanja, ali i da se koristenjem bezicne tehno-logije smanji cijena instalacije novih mjernih mjesta, pojednostavi pristup naprednim dijagnostickim informacijama, kao i da se osigura bolji nadzor nad opremom. WirelessHART standard oslanja se na postojeci HART standard, IEEE-802.15.4 standard, AES-128 (Andvanced Encryption Standard) enkripciju i na DDL/EDDL (Device Description Language/ Electronic Device Description Language) tehnologiju.
WirelessHART protokol radi na frekvenciji od 2,4 GHz ISM (Industry, Scientific, Medical frequency bands) opsegu fizickog sloja, a koristeci IEEE 802.15.4 standard TDMA (Time Division Multiple Access) za pristup komunikacionim mediju. Kompletno vrijeme komunikacije se izvrsa-va unutar unaprijed definisanog vremenskog okvira koje iznosi 10 ms (Kostadinovic, et al., 2010). U svakom trenutku samo jedan par instrume-nata komunicira na jednom frekvencijskom kanalu, ali je moguce da vise instrumenata moze da komunicira u isto vrijeme na razlicitim kanalima.
Po standardu IEEE802.15.4 radio-signali imaju relativno male sna-ge, te stoga se koristi pojacanje do 10 dB da bi komunikacija na udalje-nostima do 200 m bila moguca. U slucajevima gdje je potrebna udalje-nost manja, moze se smanjiti pojacanje, da bi se smanjila vjerovatnoca interferencije sa ostalim mrezama koje koriste ISM frekvencijski opseg.
WirelssHART koristi IEEE 802.15.4 kompaktibilni DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) radio-signal sa tehnikom skakanja izmedu ko-munikacionih kanala da bi se obezbjedila sigurnost i pouzdanost. Ovaj ni-vo definise karakteristike radio-signala kao sto su metod signaliziranja, jacina signala i osjetljivost uredaja. Kao sto je vec receno, WirelessHART radi na 2400-2483,5 MHz besplatnom ISM opsegu frekvencija sa brzi-nom prenosa do 250 kbit/s. Njegovi kanali su numerisani od 11 do 26 sa
5MHz razmakom izmedu susjednih kanala. Sam kanal 26 u mnogim slu-cajevima nije zakonski dozvoljen, tako da nije ni podrzan. DSSS tehnolo-gija obezbjeduje 8 dB dodatnog pojacanja koji obezbjeduje jedinstvene algoritme kodiranja.
Velika prednost uredaja koji koriste WirelessHART jeste da svaki uredaj u mrezi moze da se koristi kao ruter za poruke od drugog uredaja. Drugim rijecima, uredaj ne mora da direktno komunicira sa krajnjim pri-jemnikom, nego samo prosljeduje poruku do sledeceg najblizeg uredaja. Na ovaj nacin prosiruje se opseg mreze i osiguravaju redundantni komu-nikacioni putevi (rute) radi povecanja pouzdanosti. Da bi se osigurala do-stupnost redundantnih ruta, poruke se konstantno salju putem razlicitih ruta. Ukoliko poruka ne moze stici na zeljenu destinaciju jednim putem, ona se automatski prosljeduje na pouzdanu rutu, redundantnu rutu bez gubitka podataka.
Jedna od karakteristika WirelessHART protokola je i vremensko sin-hroniziranje podatkovnog nivoa (data link layer). On definise striktni vre-menski okvir od 10 ms, koristeci TDMA tehnologiju da obezbjedi komuni-kaciju bez kolizije i deterministicnu komunikaciju. Niz vremenskih slotova formira poseban periodican frejm koji se naziva superfrejm za prenos po-dataka. Svi superfrejmovi pocinju od ASN (Absolution Slot Number) 0, trenutka kada je mreza prvi put kreirana. Da bi se poboljsala kvaliteta prenosa, WirelessHART ima mogucnost kreiranja "crnih listi" kanala, a svaki kanal na kojem se javljaju znatne smetnje moze se staviti na ovu li-stu. Na ovaj nacin mrezni administrator moze potpuno iskljuciti neke od kanala koji su na "crnoj listi".
Za razliku od ozicenog HART protokola, WirelessHART koristi pet nivoa OSI modela. WirelessHART koristi nivo mreze i transportni nivo. Ova dva nivoa imaju zadatak da obezbjede sigurnu i pouzdanu komunikaciju krajnjih uredaja. Nivo veze i mrezni nivo osiguravaju sigurnosne servise. Na nivou (sloju) veze MAC (Media Access Control) sloj i mrezni nivo osiguravaju integritet podataka. MAC sloj koristi kombinaciju CRC (Cyclic Redundancy Check) i MIC (Message Integrity Code), iako CRC ima ogranicenu vrijednost i dalje se koristi. Mrezni sloj koristi razlicite kljuceve da osigura povjerljivost i integritet podataka za krajnje korisnike (Chen, et al, 2010).
Svaka WirelessHART mreza ukljucuje tri glavna elementa: gateway, opremu u polju (Wirelss field device), i mrezog upravitelja (Network manager), koji moze biti integrisan u gateway, host aplikaciju ili kontroler automatskog upravljanja. Primarni fokus mreznog upravitelja stavljen je na najbolju iskoristenost mreznih resursa radi postizanja optimalnih pre-formansi brzine i kolicine prenesenih podataka, uz maksimalnu ustedu energije, kao i na sigurnost mreze. Gateway osigurava povezivanje izme-du WirelessHART uredaja i upravljackog sistema ili host aplikacija koje
LO
7
O CD
O
CO
E 'ro <u
E
<u E
ro p
ro tn
CJ
E o
ro
N
J5 o
o
o
cr
I—
Q1 <
X
ro c <D
CL <
■CJ ■>
o c ro E
tn o ro
CO
o
X
o >
LO
o <N
of
yy
0£ ZD
o
o <
o
X
o
LU
I— >-
Q1 <
I—
< -J
CD >Q
X LU I—
o
o >
su spojene na brzu komunikacionu mrezu (kao sto su PROFI BUS, ETHERNET i sl.). Najcesce u sklopu gateway uredaja nalazi se integrisani mrezni upravitelj. Kao elementi mreze takode se mogu pojaviti i pojaca-vaci signala (Repeater), ciji je glavni cilj pojacavanje signala radi poveca-nja dometa WirelessHART mreze, i WirelessHART adapteri koji omogu-cuju povezivanje konvencionalnih HART uredaja na WirelessHART inter-fejs. Adapteri se mogu nalaziti bilo gdje u 4-20 mA strujnom krugu i mogu biti baterijski napajani ili se mogu napajati direktno iz 4-20 mA kruga.
Zakljucak
Moze se reci da je HART protokol jedna od najpopularnijih nacina komunikacije sa mjernom opremom u industriji. Moderniji digitalni stan-dardi u komunikaciji sa opremom u polju, kao sto su PROFIBUS i FOUNDATION Fieldbus, koji pruzaju slicne ili bolje karakteristike kao i HART protokol, postaju sve popularniji u industrijskom okruzenju. Medutim, cini se da ce se HART protokol zadrzati jos mnogo godina u sirokoj industri-skoj primjeni. Tome ide u prilog i cinjenica da se i sam HART protokol kontinualno razvija, a kao dokaz tome je uvodenje revizije HART 7, koja definise bezicni prenos podataka. Na ovakav nacin stavlja se u prvi plan digitalna razmjena podataka izmedu uredaja, a ne tradicionalna analogna sa signalom od 4 do 20 mA. Komunikacija putem radio-signala eliminira teoretsku brzinsku barijeru od 1200 bita po sekundi, koja postoji kod ozi-cenog HART protokola, a pri tome i dalje dozvoljava primjenu standard-nih programskih paketa za komunikaciu izmedu racunara i uredaja, kao i upotrebu HART komunikatora za podesavanje i parametriranje uredaja.
Literatura
Boyes, W. 2009. Instrumentation Reference Book 4th Edition.USA: ButterworthHeinemann.
Chen, D., Nixon, M., & Mok, A. 2010. WirelessHART: Real Time Mesh Network for Industrial Automation.USA: Springer.
HART Communication Foundation. 2014. HART Communication Application Guide.Austin USA: HART Communication Foundation.
Kostadinovic, M., Popovic, B., & Popovic, N. 2010. Dizajn i implementacija mreznih uredaja koji koriste WirelessHART protokol. Zbornik radova Infoteh-Jahorina Vol.9. U: , 2010, Jahorina. , str. 123-127
Kuphaldt, T. 2014. Lessons in Industrial Instrumentation. [e-book]. Preuzeto sa http://www.ibiblio.org/kuphaldt/socratic/sinst/book/liii_2v06.pdf 2014 Nov 1.
Park, J., Mackay, S., & Wright, E. 2003. Practical Data Communication for Instrumentation and Control.Velika Britanija: Newnes.
SAMSON. 2012. HART Communications.Frankfurt: Samson AG.
Preuzeto sa http://www.hartcomm.org/
ПРИКЛАДНЫЕ HART ПРОТОКОЛЫ - ДЛЯ СВЯЗИ С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ПОЛЕВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
ОБЛАСТЬ: телекоммуникации
ТИП СТАТЬИ: профессиональная статья
ЯЗЫК СТАТЬИ: сербский
Резюме:
Умные протоколы инструментов предназначены для приложений, где обрабатываются данные, собранные с помощью приборов, датчиков и сенсоров, использующих методы цифровой связи.
HART-протокол - цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. На сегодняшний день в мире данная технология используется в более чем 40 млн. устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол - это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникаmора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4-20 мА. В данной статье описываются характеристики и применение HART-проmокола.
Ключевые слова: HART-проmокол, сигнал, протокол, оцифровка.
APPLICATION OF THE HART PROTOCOL FOR COMMUNICATION WITH SMART FIELD DEVICES
FIELD: Telecommunications ARTICLE TYPE: Professional Paper ARTICLE LANGUAGE: Serbian
Summary:
Smart instrumentation protocols are designed for applications where data is collected from instruments, sensors and actuators by digital communication technology. The HART protocol is a typical smart instrumentation Fieldbus. More than 40 million HART devices are installed worlwide, and the HART technology is the most widely usef field communication protocol for intelligent process instrumentation. Two communication channels supported by HART devices are the current loop
(ш>
CO
o
X
o >
LO
o <N
yy
0£ ZD
o
o <
o
X
o
LU
I— >-
CC <
I—
< -J
CD >o
X LU I—
o
o >
4-20 mA, and the HART digital channel. A digital communication channel simultaneously transmits information along the same wire and without disruption to the analog channel. This bi-directional communication channel provides a real time access to available data on HART smart devices. This paper deals with the properties and the application of the HART protocol.
Introduction
The HART protocol is a typical smart instrumentation Fieldbus that can operate in a hybrid 4-20 mA digital fashion. The HART communication protocol is an open standard owned by the HCF member companies. Products that use the HART protocol to provide both analog 4-20 mA and digital signals provide flexibility which is not available by any other communication technology.
HART protocol properties (Basic Concept of HART)
The HART communication protocol is based on the Bell 202 telephone communication standard and operates using the frequency shift keying (FSK) principle. This allows the superposition of the digital signal to an analog current signal. A digital signal is composed of two frequencies, 1200Hz which represents the digital 1, and 2200Hz which represents the digital 0. Because the average value of the FSK signal is always zero, the 4-20 mA analog signal is not affected.
HART protocol structure
The HART protocol is implemented with the OS I model which is developed by the ISO (DIN ISO 7498). The OSI model provides the structure and all the necessary elements of the communication system. The HART protocol uses a reduced OSI model, where there are implemented only hree layers out of seven: a physical layer, a data link layer, and an application layer. To make the intraction between HART devices as efficient as possible, classes of conformity have been established for masters as well as classes of commands for slaves.
HART topologies
HART devices can operate in one of two network configurations: either the point-to-point one or the multidrop one. The point-to-point topology is the most common way of connecting a HART device to the control system. In the point-to-point mode, the traditional 4-20 mA signal is used to communicate one process variable, while additional process variables, configuration parameters, and other device data are transferred digitally using the HART protocol.
The multidrop mode is the main functionality of the HART protocol wanted by protocol designers. However,t due to its slow speed, it is rarely used in industry. More HART instruments can be connected to each other in parallel to a single pair of wires to exchange information between these instruments and the host. The multidrop mode requires only a single pair of wires and an auxiliary power supply unit which supplies up to15 devices
(HART 5) or 62 devices (HART 7). In this mode, all field device polling addresses must be unique in a range of 1-15 (or 1-63), and the current through each device is fixed to a minimum value.
Cables and power suply
A theoretical limit for the cable length in the HART communication is 3000 meters. However, the electrical characteristics of the cable, mostly capacitance, as well as the combination of connected devices, can affect the maximum allowable cable length of the HART network.
HART commands
The HART commands are divided into three classes: Universal, Common Practice and Device Specific. All devices using the HART protocol must recognize and support the universal commands. The Common Practice commands provide functions that can be carried out by many but not all field devices. The Device Specific commands provide functions that are unique and restricted to an individual device.
Wireless HART
In addition to wired communication, the HART 7 includes wireless communication. The role of Wireless HART is to preserve the existing equipment and all the acquired knowledge in installation and maintenance, and also, by the use of wireless technologies, to reduce the price of installation of new measurement points, simplify access to advanced diagnostic information, and ensure better control over the equipment. The WirelessHART standard relies on the existing HART standard, the IEEE-802.15.4 standard, the AES-128 encryption and the DDL / EDDL technology.
Conclusion
It can be said that the HART protocol is one of the most popular ways to communicate with measuring equipment in industry. More modern digital standards in communication with field equipment, such as PROFIBUS and FOUNDATION Fieldbus providing similar or better performances as well as the HART protocol, are becoming increasingly popular in the industrial environment. However, it seems that the HART protocol will remain widely applied for many years. This is supported by the fact that the HART protocol continually evolves, and, as proof of this, there is the introduction of revision 7 which defines wireless data transmission.
Key words: HART protocol, signals, protocols, digitization.
Datum prijema clanka / Paper received on / Дата получения работы: 07. 12. 2014. Datum dostavljanja ispravki rukopisa / Manuscript corrections submitted on / Дата получения исправленной версии работы: 02. 01. 2015.
Datum konacnog prihvatanja clanka za objavljivanje / Paper accepted for publishing on / Дата окончательного согласования работы: 04. 01. 2015.
dzl>
