HART

HART (англ. Highway Addressable Remote Transducer) — набор коммуникационных стандартов для промышленной автоматики.

Предназначен для подключения промышленных датчиков. Включают проводной и беспроводной физические уровни, а также протокол обмена. Проводной вариант позволяет передавать цифровые данные и питание по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4-20 мА.

Первоначальный HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В 1986 году получил наименование HART и стал открытым стандартом.

С 1993 года владельцем технологий и стандартизирующей организацией являлась HART Communication Foundation. С 2014 года, после слияния Fieldbus Foundation и HART Communication Foundation, спецификации HART поддерживаются FieldComm Group.

Устройства с HART-связью смело можно назвать цифровыми, и поэтому в большинстве случаев они вполне готовы к работе с облачной средой (облачными системами хранения данных).

Спецификации

В стандарт входит 17 документов, охватывающих как проводной так и беспроводной (WirelessHART) вариант интерфейса. На 2017 год базовая спецификация имеет ревизию HART 7 (документ HCF-SPEC-13). Политика распространения официальных спецификаций предусматривает либо членство в стандартизирующей организации либо покупку бумажных копий стандарта, в открытом доступе их нет.

Часть спецификаций проводного HART входит в стандарт IEC 61158-CPF9. WirelessHART стандартизирован как IEC 62591:2010.

Стандарт определяет три уровня модели OSI — физический уровень, канальный и прикладной уровень. Физических уровня два — старый с частотной модуляцией и новый с фазовой. Канальный уровень определяет структуру фреймов. Прикладной — наборы команд.

HART

Физический уровень

Физический уровень HART выполнен поверх токовой петли стандарта 4-20 мА. Данные передаются модуляцией тока амплитудой ±0,5 мА со спектром выше 500 Гц, постоянная составляющая недопустима. При этом спектр аналогового сигнала токовой петли должен быть ограничен до 25 Гц. Минимальное сопротивление источника питания линии (приемника сигнала 4-20 мА) 230 Ом. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам.

Частотная модуляция

Первоначальный стандарт допускал только одну скорость и один вид модуляции, заимствованный из модемного стандарта Bell 202: частотную манипуляцию 1200/2200 Гц со скоростью 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» — два неполных периода 2200 Гц. Разделение приемного и передающего каналов временное, то есть в один момент времени работает только один передатчик. Этот физический уровень стандартизирован в документе HCF_SPEC-54.

Частотно-модулированный режим является обязательным для всех HART устройств.

Протокол HART имеет два основных режима работы: «точка-точка» и режим множественного доступа. В режиме «точка-точка» имеется одно ведущее устройство и одно ведомое. Преимущество этого режима заключается в том, что цифровые данные легко передаются по существующей линии 4…20 мА, что обеспечивает более детальный мониторинг устройства по существующей инфраструктуре сетей связи. В режиме множественного доступа к одной линии присоединяется несколько ведущих и ведомых устройств, поэтому могут передаваться только данные протокола HART FSK, а постоянный ток в линии фиксируется на уровне 4 мА. Режим множественного доступа может быть полезен, если много вынесенных устройств обменивается данными с единой системой управления, но в этом случае постоянный ток интерфейса «токовая петля» не может быть использован для непрерывного отслеживания основного измеряемого значения.

HART – это гибкий способ коммуникации для различных приложений промышленной автоматизации. Сам метод предлагает множество преимуществ, которые снижают стоимость, упрощают проектирование и обеспечивают такие результаты, как:

• передача (сопутствующей) цифровой информации без прерывания основного аналогового сигнала;
• простая реализация с использованием существующей двухпроводной инфраструктуры 4…20 мА;
• гибкие способы работы для удовлетворения потребностей различных систем.

Фазовая модуляция

Впоследствии стандарт был дополнен более скоростным вариантом с фазовой модуляцией. Несущая 3200 Гц, 8-позиционная манипуляция, скорость 9600 бод. Стандарт определяет вариант с фазовой модуляцией как дополнительный и рекомендует возвращаться к ЧМ при проблемах со связью. Этот физический уровень стандартизирован в документе HCF_SPEC-60.

Сообщение

Обмен ведется сообщениями — неразрывными наборами данных. Каждое сообщение содержит преамбулу для синхронизации демодулятора приемника и набор данных, называемых фреймом. Между сообщениями идут паузы, во время которых никакой модуляции на линию не идет. Данные передаются байтами в формате асинхронного интерфейса 8O1, то есть снабжены стартовым, стоповым битом и битом контроля нечетности (odd) для проверки целостности приема.

В ЧМ режиме преамбула представляет собой от 5 до 20 байт 0xFF того же формата 8O1. Ведомые устройства обычно используют минимальную для них длину преамбулы, мастер сети обязан начинать обмен с максимально длинной преамбулы и может уменьшать ее если позволяют ведомые устройства. В ФМ режиме преамбула отличается, но структура фрейма та же.

Проводка

Для подключения приборов стандарт рекомендует применять экранированный кабель сечением не менее 24 AWG (0,2 мм²). Оценочная таблица максимальной рекомендованной длины в зависимости от погонной емкости кабеля для провода сечением 18 AWG (0,8 мм²):

Link layer

HART-протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый» с обменом пакетами вида «команда + данные». То есть в сети есть мастер, формирующий запросы, и одно или более ведомых устройств, отвечающих по запросу мастера.

Multi-master

Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (мастеров). Их называют Primary Master и Secondary Master. Второй мастер может выполнять роль контрольно-настроечного терминала, позволяющего получить доступ к приборам без отключения или иного нарушения работы оборудования. Допускается «горячее» подключение второго мастера.

Multi-drop

Первоначально HART допускал только одно ведомое устройство на линии. Оно формировало аналоговый сигнал 4-20 мА и независимо от аналогового сигнала отвечало на запросы мастера. Этот режим называли Point-to-Point. Начиная с HART 3 ввели возможность подключать к одной паре проводов до 15, а с HART 6 и до 63 устройств. В этом режиме, названном Multi-drop, устройства фиксируют аналоговый выход на уровне 4 мА и используют сетевую адресацию в протоколе.

В сентябре 2007 года HART Communication Foundation выпустил новый беспроводной стандарт WirelessHART. В качестве радиоканала WirelessHART использовал стандарт беспроводных сетей IEEE 802.15.4-2006 (диапазон ISM) с разделением каналов по времени (TDMA). Трафик шифруется (AES 128).

WirelessHART является частью новой спецификации HART 7, а также стандартизован как IEC 62591:2010.

Сеть WirelessHART является самоорганизующейся. Для добавления устройства в сеть достаточно ввести пароль доступа к сети. При необходимости, устройства могут сами строить топологию ретрансляции. Расстояния между узлами сети могут достигать нескольких километров.