1. HART A DWUPRZEWODOWY STANDARD ANALOGOWY

Sieci miejscowe, protokół HART, modulacja FSK, systemy telemechaniki Zygmunt KUBIAK SIEĆ MIEJSOWA HART W SYSTEMAH TELEMEHANIKI Sieć miejscowa (ang. fieldbus) HART została opracowana w firmie Rosemount dla najniŝszego poziomu w hierarchicznej architekturze systemu telemechaniki. HART stanowi sposób dodatkowego wykorzystania istniejących instalacji analogowych. Tworzy rozszerzenie przemysłowego standardu 4-20mA o cyfrową komunikację z mikroprocesorowymi układami wejścia/wyjścia. Organizację sieci porównano z modelem OSI. Omówiono warstwę fizyczną, warstwę łącza danych i warstwę aplikacji. Przedstawiono rozwiązanie uniwersalnego modułu master HART. 1. HART A DWUPRZEWODOWY STANDARD ANALOGOWY W systemach telemechaniki dla realizacji zdalnych pomiarów i sterowań analogowych (przy odległościach do 3000m) dotychczas stosowany jest głównie standard prądowy 4-20mA. W standardzie tym, prąd w przedziale 4-20mA zmienia się proporcjonalnie do zmiennej procesowej, tzn. wartość 4mA odpowiada kalibracji dla dolnego zakresu zmiennej (0%) a 20mA - górnemu zakresowi zmiennej (100%). Przesunięcie początkowej wartości prądu o 4mA umoŝliwia zasilanie oddalonego układu wejścia (wyjścia) i dlatego do połączenia układów wystarcza linia dwuprzewodowa (rys. 1). Stacja obiektowa systemu telemechaniki 24V= _ 4-20mA Sensor z wyj. 4-20mA PA R L Instytut Informatyki Politechniki Poznańskiej Rys. 1. Dwuprzewodowa pętla prądowa 4-20mA Fig. 1. The two-wire current loop

W firmie Rosemount w roku 1986 opracowano protokół komunikacyjny HART (Highway Addressable Remote Transducer), stanowiący zgodnie z zamysłem twórców naturalne rozszerzenie przemysłowego standardu analogowego 4-20mA o cyfrową komunikację z inteligentnymi (mikroprocesorowymi) układami wejścia/wyjścia. Wspomniany standard ma juŝ długą historię oraz bardzo duŝo aplikacji w przemyśle i pomimo rozwoju technik cyfrowych pojawia się równieŝ w nowych instalacjach. Protokół HART zachowuje kompatybilność z istniejącym systemem i stwarza uŝytkownikowi nowe moŝliwości. Protokół HART moŝe być uŝyty róŝnych trybach komunikacyjnych. Przewidziano moŝliwość stosowania dwóch modułów master (pierwotny i wtórny). Wtórny master w postaci podręcznego komunikatora moŝe być uŝyty bez zakłócania komunikacji z masterem pierwotnym, słuŝy do monitorowania i konfigurowania pracy systemu. Oba moduły master mają róŝne adresy, co pozwala na identyfikacje odpowiedzi modułu (modułów) slave na rozkazy kaŝdego z nich. Najczęściej stosowanym trybem jest komunikacja cyfrowa masterslave, realizowana jednocześnie z transmisją analogową 4-20mA. Odpowiada to konfiguracji sieciowej punkt-punkt. W tym przypadku moŝna wyróŝnić dwa węzły analogowe i dwa węzły cyfrowe. Protokół HART moŝe być teŝ uŝyty w konfiguracji wielopunkt zrealizowany na magistrali, ale wtedy mogą występować wyłącznie węzły cyfrowe. Opcjonalnym trybem komunikacyjnym jest burst, w którym pojedynczy moduł slave cyklicznie wysyła standardowe komunikaty. Szczelina czasowa między komunikatami umoŝliwia modułowi master zmianę rozkazu lub trybu. Architekturę róŝnych sieci najczęściej porównuje się z modelem odniesienia OSI. Model ten nie uwzględnia specyfiki sieci miejscowych, które z załoŝenia są sieciami czasu rzeczywistego, a poniewaŝ przeznaczone są do pracy w warunkach przemysłowych muszą charakteryzować się zwiększoną odpornością na zakłócenia. RóŜnice dotyczą teŝ fizycznych środków łączności i topologii sieci. Przy uwzględnieniu tych róŝnic model OSI stanowi uŝyteczną bazę odniesienia. Sieć HART stosuje tylko trzy warstwy, 1, 2 i 7. (tab. 1). Model OSI 7 Warstwa aplikacji Instrukcje 6 Warstwa prezentacji 5 Warstwa sesji 4 Warstwa transportowa 3 Warstwa sieciowa Sieć miejscowa HART 2 Warstwa łącza danych Reguły protokołu HART 1 Warstwa fizyczna Bell 202 Tab. 1. Porównanie modelu odniesienia OSI z siecią miejscową HART Tab. 1. Fieldbus HART and OSI reference model

2. WARSTWA FIZYZNA Warstwa fizyczna dotyczy technicznych aspektów przesyłania danych w postaci strumienia bitów. HART wykorzystuje modulację FSK (ang. Frequency Shift Keying). Przyjęto standard Bell 202. Jest to metoda kluczowania częstotliwości z fazą ciągłą: jeden cykl 1200Hz reprezentuje binarne 1, natomiast dwa cykle 2200Hz - binarne 0 (rys.2). Pozwala to na uniknięcie, tzw. zniekształceń włączeniowych. 0,5mA Sygnał analogowy 0,5mA 1200Hz 1 2200Hz 0 Rys.2. Modulacja FSK - sposób transmisji sygnałów cyfrowych w sieci HART Fig. 2. HART transmision of digital signals Szybkość transmisji wynosi 1200 bodów. Standard Bell 202 opracowano w USA dla potrzeb transmisji cyfrowej w sieci telefonicznej. Powstało szereg modemów scalonych dla tego standardu. Najbardziej popularne to SYM2015 z firmy Symbios Logic, HT2012 z SMAR Reasearch orp. oraz FX614 z ML Semiconductor Products. Budowa tych modemów jest bardzo zbliŝona. Schemat blokowy FX614 przedstawiono na rys.3. MoŜna wyróŝnić na nim trzy podstawowe fragmenty funkcjonalne: filtry wejściowe i wyjściowe wraz z układami formującymi (styk z linią), modulator/demodulator FSK, szeregowy styk do współpracy z mikroprocesorem. SYM2015 i HT2012 są układami wyłącznie cyfrowymi, tzn. nie zawierają filtrów wejściowych i wyjściowych. RXEQ M1 M0 RXFB RXIN TXOP _ V BIA Układ wyboru trybu Filtr pasmowy i dyskryminator Formujący układ nadawczy Detektor sygnału Demodulator FSK Modulator FSK FX614 Układ interfejsu szeregowego DET RXD LK RDYN TXD Rys. 3. Schemat blokowy modemu FX614 Fig. 3. FX614 modem block diagram

Modulator dokonuje syntezy przebiegów prostokątnych o dwóch częstotliwościach, zgodnie z zasadą FSK. Sygnał te jest następnie kształtowany w celu ograniczenia pasma. Funkcja demodulatora jest odwrotna. Styk z linią realizuje analogowa część modemu (rys. 4). W przykładzie pokazano rozwiązanie z transformatorową separacją galwaniczną. W uproszczonych układach styku stosuje się tylko oddzielenie składowej stałej przy pomocy kondensatora o pojemności większej niŝ 5µF. Linia 1:1 5 0V Z R4 A1 - R5 7 R2 6 RXIN R7 RXFB R6 - A2 R3 TXOP V BIAS Rys. 4. Obwód styku z liną Fig. 4. Line interface circuit Wzmacniacz A2 wraz z elementami R6 (100kΩ) i 7 (330pF) tworzy filtr wyjściowy, który kształtuje przebieg prostokątny z modulatora FSK na sygnał wyjściowy zbliŝony do sinusoidalnego (rys. 2). Rezystor R3 określa poziom sygnału w linii. Idealnym sygnałem wyjściowym jest przebieg sinusoidalny. Pełna specyfikacja HART dopuszcza równieŝ kształt trapezoidalny. Dopuszczalne poziomy sygnałów w sieci HART podano w tab. 2. ObciąŜenie magistrali wprowadzane przez układy slave jest nieznaczne poniewaŝ minimalna rezystancja wejściowa slave wynosi 100kΩ, a maksymalna pojemność bocznikująca nie przekracza 5nF. Zakłada się, Ŝe rezystancja wejściowa pierwotnego układu master, łącznie z rezystancją obciąŝenia pętli zawiera się w przedziale 230..1100Ω. Maksymalna impedancja nadajnika master wynosi 700Ω i nie moŝe być większa od impedancji obciąŝenia (przy odbiorze). Master - sygnał nadawany (wyjściowy) Slave - sygnał nadawany (wyjściowy) zułość odbiornika Poziom wyłączenia odbiornika min 400mV p-p. max 600mV p-p. min 0,8mA p-p., tzn. 184mV dla obc. 230Ω max 1,2mA p-p., tzn 1320mV dla obc. 1100Ω 120mV do 2,0V p-p. 80mV p-p. Tab. 2. Poziomy sygnałów HART Tab. 2. HART signal levels

Sieć HART moŝe pracować w konfiguracji punkt-punkt (pojedynczy układ slave o adresie 0) albo wielopunkt zrealizowany na magistrali dwu- lub trzyprzewodowej. Pierwszy sposób stosowany jest wspólnie z transmisją analogową 4-20mA. Pasmo sygnału analogowego ograniczone jest do 25Hz. W drugim przypadku, w którym dopuszczona jest tylko transmisja cyfrowa, do sieci moŝe być dołączonych maksymalnie 15 modułów. KaŜdy z nich musi mieć inny adres; dla pierwotnego master a zarezerwowany jest adres 1, a dla wtórnego - 0. Moduły slave przełączone zostają do trybu stałego obciąŝenia prądem 4mA (instrukcja #6). Łączna wartość prądu wynosi n 4 ma, gdzie n jest liczbą modułów. hcąc korzystać z zasilania 24V, naleŝy odpowiednio ograniczyć rezystancję obciąŝenia R L. Dolne ograniczenie wartości rezystancji obciąŝenia R L wynika z załoŝonej czułości odbiorników, a górne - z przyjętej wartości napięcia zasilania. W sieci zawierającej rezystancje i pojemności występuje tłumienie i opóźnianie sygnałów. Określono górny limit stałej czasowej R = 65µs. Wartość ta, która zaleŝy od parametrów kabla i dołączonych do sieci modułów, wpływa na ograniczenie długości kabla. W przypadku wielokrotnej, dwuprzewodowej skrętki, całość w ekranie długość linii nie przekracza 1500m, a przypadku pojedynczej skrętki - 3000m. PoniŜsze równanie pozwala na oszacowanie maksymalnej długości linii. gdzie ( f ) 6 65 10 10000 l = ( R ) l długość w metrach, R rezystancja obciąŝenia w omach, pojemność kabla w pf/m., f maksymalna wewnętrzna pojemność wszystkich dołączonych do sieci modułów w pf. (1) 3. WARSTWA ŁĄZA DANYH Warstwa łącza danych dotyczy procedury transakcji, kodowania znaków i struktury komunikatów protokołu HART. HART jest protokołem typu master-slave. Jedna ze stacji jest wyróŝniona i pełni rolę zarządcy (ang. master), pozostałe są podległe (ang. slaves). Master posiada pełną listę adresów stacji dołączonych do sieci i odpytuje kolejne slave, przekazując w ten sposób zgodę na transmisję w sieci. Protokół HART dopuszcza obecność drugiego modułu master, tzw. wtórnego, który najczęściej ma postać ręcznego monitora lub/i konfiguratora sieci. Wymiana informacji w sieci HART zachodzi w trybie pół dupleks; oznacza to transmisję w dwóch kierunkach, ale w danym czasie aktywny jest tylko jeden kierunek. Master jest odpowiedzialny za sterowanie transakcjami komunikatów. JeŜeli brak odpowiedzi, master ponawia komunikat. Po kilku nieudanych próbach master przerywa transakcję. Oznacza to uszkodzenie linii albo brak odpytywanego modułu slave. Po kaŝdej kompletnej transakcji, przed wysłaniem kolejnej instrukcji, wprowadzana jest krótka

przerwa. W tym czasie drugi master moŝe rozpocząć swoją transakcję. zas wymiany informacji z jednym modułem slave wynosi około 500ms. Szybszy dostęp do danych z modułu slave moŝna uzyskać w trybie burst, w którym slave cyklicznie wysyła Ŝądane dane (3 do 4 komunikatów na sekundę). Szczelina czasowa między poszczególnymi komunikatami umoŝliwia węzłowi master zmianę trybu. Moduł i typ komunikatu zas przerwy Niezsynchronizowany master pierwotny 305ms wysłał instrukcję Niezsynchronizowany master wtórny 380ms Po ciągłej ciszy na magistrali wysłał instrukcję Niezsynchronizowany slave w trybie burst 305ms Zsynchronizowany master wysłał instrukcję 20-75ms 75ms Po odpowiedzi dla drugiego master a Po odpowiedzi na swoją instrukcję Odpowiedź slave na instrukcję master a 0-256ms po odczytaniu instrukcji Zsynchronizowany slave w trybie burst 75-256ms 0-20ms po poprzednim komunikacie po instrukcji wejście w tryb burst Tab. 3. Zestawienie zaleŝności czasowych Tab. 3. Summary of timing rules Strumień bitów komunikatu HART dzielony jest na bajty (8 bitowe znaki), z których kaŝdy jest kodowany zgodnie z regułami stosowanymi w układach UART: 1 bit startu, 8 bitów danych, 1 bit parzystości i 1 bit stopu. 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 Bit startu 8 bitów danych Bit parzystości Bit stopu Rys. 5. Format znaku Fig. 5. haracter format Struktura komunikatu HART przedstawiona została na rys. 6. Wstêp S AD D B [Status] [Dane] HK Rys. 6. Struktura komunikatu HART Fig. 6. The HART message structure Suma kontrolna (1bajt) Liczba bajtów pól Dane Status (1 bajt) Instrukcja HART (1 bajt) Adres źródła i celu (1 lub 8 bajtów) Znak startu komunikatu (1 bajt)

Komunikat rozpoczyna się wstępem, którego długość wynosi 5 lub 20 bajtów (przy braku synchronizacji); same znaki FFH. Specyfikacja HART przewiduje dwa rodzaje formatu ramki: krótki i długi. Formaty róŝnią się polem adresu. Znak startu (pole S) słuŝy do rozróŝnienia kierunku transmisji (M S lub S M), zaznaczenia czy ramka została wygenerowana w trybie cyklicznego generowania odpowiedzi przez moduł slave (ang. burst) oraz określenia formatu ramki. Adres dla formatu krótkiego ma długość 1 bajtu. Najstarszy bit jest adresem master a ( 1 - pierwotny, 0 - wtórny). Kolejny bit BM słuŝy do przełączania slave z/do trybu burst. Następne dwa bity są zerami, a cztery ostatnie to pole adresu slave. Adres ramki długiej definiuje dwa pierwsze bity jak wyŝej. Pozostałe sześć bitów oznacza producenta. Drugi bajt określa typ urządzenia. Dalsze sześć bajtów to unikatowy numer modułu slave. Pole statusu (2 bajty) występuje opcjonalnie w odpowiedzi modułu slave i dotyczy jego stanu. Pole danych moŝe zawierać 0-25 bajtów, a treść jest zdefiniowana w polu instrukcji. 4. WARSTWA APLIKAJI Warstwa aplikacji dotyczy bezpośredniego świadczenia usług uŝytkownikowi. W przypadku sieci miejscowych oznacza to wysłanie rozkazów według określonego scenariusza, w celu pozyskiwania informacji z nadzorowanego obiektu i realizacji wymaganych sterowań. Zadania te są realizowane za pośrednictwem dostępnych w HART instrukcji o numerach z zakresu 0-255. Numery 31, 127, 254 i 255 są zarezerwowane, np. 254 stanowi mechanizm rozszerzenia, jeśli w przyszłości będzie potrzebna większa liczba instrukcji. Wszystkie instrukcje zostały rozdzielone na trzy klasy: uniwersalne, praktyczne, specyficzne (tab. 4). Ostatnia grupa instrukcji dotyczy obsługi specyficznych parametrów przewidzianych przez producenta danego urządzenia. Klasa instrukcji Instrukcje uniwersalne (0-30) Instrukcje praktyczne (32-126) Instrukcje specyficzne (128-253) Funkcja Odczyt pomiarów Odczyt uniwersalnych informacji (np. numer seryjny) Zapis standardowych parametrów (np. skala, wzmocnienie) Zapis szczegółowych parametrów Odczyt parametrów specyficznych dla danego urządzenia Odczyt i zapis bazy danych Tab. 4. Klasy instrukcji i funkcje Tab. 4. lasses of instrukction and functions 5. STEROWNIK MASTER SIEI HART Obok rozwiązań sieci HART omówionych wcześniej, pojawiły się zastosowania protokołu HART z wykorzystaniem standardu RS485 (warstwa fizyczna). W tym przypadku nie stosuje się modulacji FSK. Sieć zachowuje konfigurację magistrali. Przy dopasowaniu

linii moŝna uzyskać szybkości transmisji do 38400 b/s. Dla tej metody podane wcześniej zaleŝności czasowe ulegają zmianie. Jak na razie tryb ten nie został przyjęty przez HF (HART ommunication Foundation). Schemat blokowy opracowanego sterownika master magistrali HART, uwzględniającego równieŝ wyŝej wspomniany tryb pracy, przystosowanego do współpracy ze sterownikiem PL typu MELSE FX firmy Mitsubishi, pokazano na rys. 7. Moduł moŝe pracować w następujących opcjach (modyfikacji podlega układ styku z magistralą): nadajnik z wyjściem prądowym 4-20mA, odbiornik z wejściem prądowym 4-20mA, nadajnik 4-20mA master HART (konfiguracja punkt-punkt ), odbiornik 4-20mA master HART (konfiguracja punkt-punkt ), master HART (z modulacją FSK, konfiguracja wielopunkt ), master HART (bez modulacji FSK, magistrala RS485). pętla - RS485 Układ styku z magistr. AD421 BOOST LOOP RTN 3 PA ADM485 R/T RS485 UK FP HT2012 IRXA OTXA Modem HART AT894051 Mikrokontroler MODUŁ HART-MASTER Separacja galwaniczna 2 ADM488 RxD DSR TxD RS422 P L FDP AD7893 DTR 24V -24V V IN PA D/D 5V 5Vs D/D Rys. 7. Sterownik master HART Fig. 7. HART-master controller Sterownik nadrzędny w sieci master-slave pełni szczególną rolę. Jest centralnym układem, który realizuje wymianę informacji między poszczególnymi punktami we/wy (za pośrednictwem modułów slave) a wyŝszym poziomem sterowania, w tym przypadku sterownikiem PL. Zasady komunikacji między sterownikiem HART-master a PL wynikają z cyklu sterownika PL i przyjętych zasad wymiany informacji na styku szeregowym RS422 [3]. ykl składa się: z operacji wejściowej (zapamiętanie stanu wejść w

pamięci obrazu wejść), skanowania programu, który kończy się instrukcją END, operacji wyjściowej (przepisanie pamięci obrazu wyjść na wyjścia fizyczne) oraz testowania i obsługi styku szeregowego. Dlatego teŝ dostęp do styku szeregowego jest moŝliwy z opóźnieniem nie przekraczającym czasu trwania 1 cyklu sterownika PL. Na rysunku pokazano pełną konfigurację modułu. Dla niektórych z wymienionych wyŝej opcji część elementów jest zbędna. Modulacja prądu analogowego 4-20mA sygnałem HART (±0,5mA) dla konfiguracji punktpunkt, oraz prądu n 4mA - dla konfiguracji wielopunkt, została zrealizowana przy wykorzystaniu cech przetwornika PA typu AD421. Jest to programowalny przetwornik napięcie-prąd (4-20mA) o 16-bitowej rozdzielczości i monotoniczności, w pełni kompatybilny ze standardem HART. Na rys. 8 pokazano stopień wyjściowy tego układu. Od strony wyjścia jest to źródło prądowe (bardzo duŝa rezystancja). Architektura układu pozwala (po stronie napięciowej) na zsumowanie napięcia wyjściowego z przetwornika A z odpowiednio stłumionym na dzielniku pojemnościowym 3,, sygnałem napięciowym z wyjścia modulatora HART. Napięciu w pkt. 3 o wartości 10mV odpowiada prąd wyjściowy 0,5mA, stąd wartość pojemności moŝna wyznaczyć ze wzoru (3). 2 2 10 =, (2) U 3 H gdzie 2 2 10 3 = 2, (3) U 2 10 H U H - napięcie p-p na wyjściu modulatora HART w V. A Sigma-Delta 4kΩ 12,5kΩ 40kΩ 80kΩ AD421 BOOS 1 2 3 40Ω LOOP RTN Pętla prądowa (-) 1 10nF 2 0,5µF 3 0,16µF Z wyjścia modulatora HART Rys. 8. Obwód konwertera napięcie-prąd układu AD421 Fig. 8. AD421 current control circuitry 4. ZAKOŃZENIE Sieć HART pozwala na zmodernizowanie i rozszerzenie moŝliwości, istniejących w systemach telemechaniki, instalacji analogowych pracujących w standardzie 4-20mA.

Specyfikacja HART dopuszcza równieŝ standard napięciowy 1-5V, w tym przypadku spada jednak maksymalny zasięg do około 300m. Zastosowana modulacja FSK (Bell 202) daje proste rozwiązanie problemów transmisji sygnałów w komutowanej sieci telefonicznej a takŝe w sieci radiotelefonicznej. Stosunkowo długi czas dostępu do węzłów sieci (ok. 500ms) nie stanowi ograniczenia w sensie czasu rzeczywistego przy sterowaniu i pomiarze takich parametrów jak przepływ, poziom, ciśnienie, temperatura, wilgotność, ph itp. Bardzo wiele aplikacji protokołu HART spotyka się w przemyśle chemicznym. Rozbudowana ramka zapewnia transmisję do 25 bajtów danych. DuŜa liczba zdefiniowanych instrukcji daje uŝytkownikowi bogate moŝliwości aplikacyjne, np. instrukcja #33 stanowi Ŝądanie przesłania wartości dowolnych czterech spośród 250 zmiennych. Rozszerzone pole adresowe moŝe zawierać pełne informacje o producencie oraz unikatowy numer kaŝdego urządzenia. Są to tylko niektóre wybrane cechy protokołu. HART przewiduje obszerną listę instrukcji (do 253), która w razie potrzeby moŝe ulec powiększeniu (instrukcja 254 ). Grupa instrukcji specyficznych pozwala producentom urządzeń we/wy, które są wyposaŝone w sterowniki HART, na uwzględnienie indywidualnych cech swoich produktów. Dla projektantów systemów HART istotne są równieŝ narzędzia programowe. Opracowany został język DDL (Device Description Language). Takie podejście upraszcza wiele problemów przy wdraŝaniu projektu, znacznie skraca czas jego zakończenia. DDL oparty jest na języku. Główne typy obiektów DDL to: VARIABLE, OMMAND, MENU, EDIT_DISPLAY i METHOD. Przykładowo obiekt typu OMMAND posiada następujące atrybuty: name (dla odniesień zewnętrznych), NUMBER (numer instrukcji HART), OPERATION (READ, WRITE lub OMMAND), TRANSATION REQUEST (dane włączane do rozkazu, TRANSATION REPLY (dane włączane do odpowiedzi) oraz RESPONSE_ODES (lista ustawień: wartość, typ, opis, pomoc). LITERATURA [1] Bowden R.: HART Field ommunication Protocol. A Technical Overview, Fisher-Rosemount Ltd. 1998. [2] Designers Reference Manual, Analog Devices 1998. [3] Kubiak Z.: Moduł nadrzędny sieci ASI współpracujący ze sterownikiem PL typu MELSE FX, Materiały IV KNT Systemy zasu Rzeczywistego 98, OWPW, Wrocław, 1998, s.199-207. [4] Zydorowicz T.: P i sieci komputerowe, PLJ, Warszawa 1993. [5] Baran Z. (red.): Problemy transmisji danych, WKiŁ, Warszawa, 1979. [6] http://www.ccsi.com/hart HART FIELDBUS IN REMOTE ONTROL SYSTEMS The HART fieldbus was developed by Rosemount Inc. for the lowest level in hierarchical structure of remote control system. HART exemplifies a way of additional use of existing analogue installations. It extends the industrial standard 4-20mA with digital communication with smart sensors and actuators. The structure of the network is compared with OSI reference model. This paper discusses the physical layer, the data link layer and the application layer. The solution is presented for the universal master HART module.