Vad är HART?
HART Communication Protocol (Highway Addressable Remote Transducer) är ett analogt och digitalt kommunikationsprotokoll utformat för industriella automatiska processmätningar. Den största fördelen är att HART-protokollet kan kommunicera via äldre 4-20 mA analoga instrumenteringsslingor och dela det befintliga ledarpar som används av värdsystemen.
Protokollet utvecklades av Rosemount Inc. och byggde på den tidiga kommunikationsstandarden
Bell 202 i mitten av 1980-talet som ett eget digitalt kommunikationsprotokoll för deras smarta fältinstrument. Det utvecklades snart till HART och 1986 blev det ett öppet protokoll. Sedan dess har protokollets möjligheter förbättrats genom successiva revideringar av specifikationen. HART-kommunikationsprotokollet är en öppen standard som ägs av medlemsföretag i FieldComm Group, varav de flesta har HART-produkter på marknaden.
Fördelar med HART-protokollet
- Ett av de mest populära industriprotokollen i dag, på grund av den enorma basen av installerade 4-20 mA-system i hela världen.
- HART-protokollet har varit ett bra övergångsprotokoll för användare som ville använda de gamla 4-20 mA-signalerna, men som ville implementera ett “smart” protokoll.
- Produkter som använder HART-protokollet för att tillhandahålla både analoga 4-20 mA- och digitala signaler ger en flexibilitet som inte är tillgänglig med någon annan kommunikationsteknik.
Hart-signalen, lägen och meddelandestruktur
Den ursprungliga och fortfarande mest använda versionen är frequency shift keyed (“FSK”…som har en hastighet på 1200 bps) . Det speciella med denna är att den använder en lågmodulation som överlagras på den standardiserade 4-20 mA strömkrets som har använts i stor utsträckning för sådana mätningar.
Eftersom HART-signalen är liten och består av sinusvågor är dess medelvärde noll och påverkar inte nämnvärt noggrannheten hos den analoga strömsignalen, som därför fortfarande kan användas. Detta ger kompatibilitet med befintliga system, samtidigt som det möjliggör samtidig digital kommunikation för konfiguration av anordningen, statuskontroll, diagnostik och så vidare.
Senare specifikationer omfattar ett alternativ med högre hastighet på 9600 bps, och HART rev. 7 omfattar WirelessHART™, som erbjuder höghastighetsfunktioner för radionätverk med kort räckvidd som använder ISM-bandet 2,4 GHz.
Bild 1. Signal för FSK HART
Bild 2. Struktur för FSK HART-meddelanden
Olika användningsmöjligheter
- Master-Slave
- Punkt-till-punkt
- Multidrop
- Burst
Master-Slave
HART är ett master-slave-kommunikationsprotokoll, vilket innebär att under normal drift initieras varje slavkommunikation (fältenhet) av en masterkommunikationsenhet. Två masters kan anslutas till varje HART-slinga. Den primära masterenheten är i allmänhet ett ”distributed control system (DCS)”, en ”programmable logic controller (PLC)” eller en persondator (PC). Den sekundära masterenheten kan vara en handhållen terminal eller en annan dator. Slavenheterna omfattar sändare, ställdon och styrenheter som svarar på kommandon från den primära eller sekundära masterenheten. En minsta slingimpedans på 230 Ω krävs för kommunikation.
Punkt-till-punkt
I punkt-till-punkt används den traditionella 4-20 mA-signalen för att kommunicera en processvariabel, medan ytterligare processvariabler, konfigurationsparametrar och andra enhetsdata överförs digitalt med hjälp av HART-protokollet. Den analoga 4-20 mA-signalen påverkas inte av HART-signalen och kan användas för styrning på normalt sätt. Den digitala HART-kommunikationssignalen ger tillgång till sekundära variabler och annan data som kan användas för drift, driftsättning, underhåll och diagnostik. Tryck kan till exempel skickas som 4-20 mA, vilket representerar ett tryckintervall, och temperatur kan skickas digitalt över samma ledningar. I punkt-till-punkt-läge kan den digitala delen av HART-protokollet ses som ett slags digitalt gränssnitt för en strömslinga.
Bild 3. Punkt-till-punkt
Multidrop
För multidrop krävs endast ett par kablar och, i förekommande fall, säkerhetsbarriärer och en extra strömförsörjning för upp till 15 fältenheter. Alla processvärden överförs digitalt. I multidrop är alla fältenheters avropsadresser > 0, och strömmen genom varje enhet är fixerad till ett minimivärde (typiskt 4 mA).
Använd multidrop-anslutning för övervakningskontrollinstallationer som ligger långt ifrån varandra, t.ex. rörledningar, överföringsstationer och tankparker.
Bild 4. Multidrop
Burst
Vissa HART-enheter stöder det valfria Burst-kommunikationsläget. Burst möjliggör snabbare kommunikation (3-4 datauppdateringar per sekund). I Burst instruerar mastern slaven att kontinuerligt sända ett standard HART-svarmeddelande (t.ex. värdet på processvariabeln). Mastern tar emot meddelandet med den högre hastigheten tills den instruerar slaven att sluta med Burst.
Vad är en HART-revision?
En HART-revision definierar en standarduppsättning av funktioner och funktionalitet för HART-protokollet. Revision 5 utvecklades för att förbättra konfigurationen och underhållet av analoga enheter. Den utvecklades av Emerson och öppnades för industrin för processautomatisering i slutet av 1980-talet så att användarna kunde beställa instrument och system från olika tillverkare och säkerställa driftskompatibilitet.
Revidering 6 lade till funktioner för att förbättra den digitala systemintegrationen av trådbundna HART-enheter. Den släpptes 2001, men mycket få tillverkare har utvecklat produkter baserade på denna revidering.
Revidering 7 lade till funktioner för att optimera trådlös kommunikation. Den ger också en enda standard för trådbunden och trådlös HART-kommunikation. Standarden släpptes 2007. WirelessHART-enheter har funnits tillgängliga sedan 2008, medan produkter för trådbunden HART-revision 7 blev tillgängliga för några år sedan.
Key HART Features
| Revision | 5 | 6 | 7 |
| Analog Loop Check | X | X | X |
| Tag (8 character) | X | X | X |
| Device Calibration | X | X | X |
| Device Configuration | X | X | X |
| Broadcast Messaging (Burst) | X | X | X |
| Multi-Variable Communication (4) | X | X | X |
| Primary Variable with status | X | X | X |
| Device ststus | X | X | X |
| Long Tag (32 character) | X | X | |
| Locate Device | X | X | |
| Digital Loop Check | X | X | |
| HART Software Lock | X | X | |
| Multi-Variable Satuses | X | X | |
| Wireless | X | ||
| Expanded Manufacture ID | X | ||
| Enhanced Multi-Variable Communication (8) | X | ||
| Time Stamp | X | ||
| Trends | X | ||
| Synchronized Sampling | X |
Device Description (DD):
En DD för en HART-fältenhet motsvarar ungefär ett elektroniskt datablad. DDs eliminerar behovet för värdleverantörer att utveckla och stödja anpassade gränssnitt och drivrutiner. En DD ger en bild av alla parametrar och funktioner för en enhet på ett standardiserat språk.
Field devices lämnas in till FCG för kvalitetskontroll och registrering. Det gör även DD-filer. De lämnas in till FieldComm Group för registrering i DD-biblioteket. Kvalitetskontroller utförs på varje DD som lämnas in för att säkerställa att specifikationerna följs, för att kontrollera att det inte finns några konflikter med DD som redan är registrerade och för att verifiera att de fungerar med standard HART-värdar.
Device Type Manager (DTM)
En Device Type Manager (DTM) är en del av FDT-standarden som är en programvarukomponent för en enhet som innehåller enhetsspecifika data, funktioner och logikelement. DTM:er kan sträcka sig från ett enkelt grafiskt användargränssnitt för att ställa in enhetsparametrar till en mycket sofistikerad tillämpning som t.ex. kan utföra komplexa beräkningar för diagnostik och underhåll eller implementera godtyckligt komplexa affärslogiker för kalibrering av enheter. DTM innehåller också FDT-kompatibla gränssnitt för att möjliggöra kommunikation med det anslutna systemet eller verktyget.
IPAQ 520
IPAQ 530