что передают по двухпроводной линии связи датчики с hart протоколом

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Что такое протокол HART, как он работает и каковы его особенности

Что такое протокол HART

Преимущества формирования связи между двумя машинами (или компонентами внутри них) для общения друг с другом были очевидными для специалистов по промышленной автоматизации и управлению еще до того, как Интернет вещей (IoT) стал распространенным явлением. Во многих случаях, например, требовалась отправка значений датчика температуры в центре коленчатого вала для управления реле привода двигателя и т. д,, и одним из протоколов связи, использованных для достижения этого, был протокол HART.

Протокол HART считается самым популярным протоколом в промышленной автоматизации (благодаря более чем 30 миллионам устройств на его основе), и сегодняшняя статья предоставит обзор того, что делает его таким особенным. Мы рассмотрим его принцип работы, функции, особенности и обновленные версии, такие как WirelessHART.

Протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART) является одним из самых популярных протоколов открытых коммуникаций, используемых в промышленной автоматизации для отправки и получения цифровой информации по аналоговой проводке между интеллектуальными устройствами и системами управления. Этот протокол является усовершенствованием протокола последовательной связи, такого как RS485, и является средством, которое также широко используется в промышленности.

Он был разработан компанией Emerson в 1980-х годах как собственный протокол связи для устранения недостатков в существующем протоколе связи токовой петли 4-20 мА, который мог передавать только один параметр или измеренное значение. С помощью HART в промышленной автоматизации можно обеспечить двунаправленную связь, которая устраняет недостатки 4–20 мА, но также сохраняет инфраструктуру, поскольку протокол HART может отправлять цифровые сигналы, накладывая его на аналоговые сигналы без искажений или помех.

Результатом вышесказанного является создание двух одновременных каналов связи: аналогового сигнала 4-20 мА и цифрового сигнала. Именно из-за этой комбинации протокол называется гибридным протоколом. Типичные приложения, такие как измерительные приборы, могут использовать сигнал 4-20 мА для отправки основного измеренного значения и использовать наложенный цифровой сигнал для отправки дополнительной информации.

Поддержка устройств на основе 4-20 мА означала, что компании могут продолжать использовать свое устаревшее оборудование. Это, наряду с тем, что протокол стал «открытым», привело к повышению уровня принятия протокола, пока он не стал стандартом де-факто в отрасли.

Принцип работы протокола HART

Связь HART осуществляется между двумя устройствами с поддержкой HART, обычно интеллектуальным полевым устройством и системой управления или мониторинга. Как описано ранее, устройства, основанные на протоколе, передают аналоговый сигнал, используя существующий подход 4-20 мА, и цифровые сигналы, накладывая сигнал (в виде сигнала переменного тока) на аналоговый сигнал 4-20 мА, используя стандарт FSK Bell 202.

Процедура FSK (частотная манипуляция) включает в себя наложение синусоидальных волн двух частот, обычно 1200 Гц и 2200 Гц, которые представляют биты (1 и 0 соответственно) передаваемых данных. Использование FSK гарантирует, что среднее значение двух частот всегда равно нулю, гарантируя, что цифровой сигнал не влияет на аналоговый сигнал.

Для удовлетворения потребностей различных приложений устройства по протоколу HART можно настроить для работы в двух основных режимах: режим «точка-точка» и режим Multi-Drop.

В режиме «точка-точка» цифровые сигналы накладываются на ток петли 4–20 мА таким образом, что как ток 4–20 мА, так и цифровой сигнал могут использоваться при передаче сообщений между ведущим и ведомым устройствами. Это представляет собой типичное применение протокола со вторичными переменными и данными, которые могут использоваться для целей мониторинга, обслуживания и диагностики, и обмениваются цифровыми сигналами, в то время как сигналы управления передаются по аналоговой половине протокола. Иллюстрация конфигурации двухточечной сети приведена на следующем рисунке.

Режим сетевой конфигурации Multi-Drop позволяет нескольким устройствам подключаться к одной паре проводов способом, аналогичным протоколам на основе адресов, таким как i2c. Связь в многоточечном режиме полностью цифровая, так как связь через аналоговый токовый контур отключена, поскольку ток через каждое из устройств фиксируется на минимальном значении, достаточном только для работы устройства (как правило, 4 мА). Многоточечные сети обычно используются в приложениях диспетчерского управления, которые широко расположены, как на нефтебазах и трубопроводах. Конфигурация сети Multi-Drop показана на следующем рисунке.

В режиме связи запрос-ответ подчиненные устройства передают информацию только тогда, когда запрос выдается ведущим устройством. Несмотря на то, что этот режим имеет свои недостатки, особенно снижение скорости передачи данных (2-3 обновления данных в секунду), он помогает сделать протокол простым, эффективным и легким в реализации.

Чтобы освободить место для изменения требований приложения, в протоколе предусмотрен другой режим связи, называемый режимом пакетной передачи. В этом режиме подчиненные устройства могут отправлять один фрагмент информации непрерывно, без необходимости повторных запросов от ведущего. Этот режим обеспечивает более высокую скорость связи до 3-4 обновлений в секунду и обычно используется в сценариях, где требуется более одного устройства HART для прослушивания связи из цикла HART.

Для обеспечения внешнего мониторинга, необходимого для большинства промышленных приложений, оба режима связи поддерживают до двух мастеров, определенных как основной и дополнительный. Основной ведущий, как показано на рисунке выше, обычно является основной системой управления / мониторинга, в то время как вторичный ведущий обычно является устройством, подобным портативным терминалам типа HART-коммуникатор, который подключается к контуру HART только в течение короткого периода времени.

WirelessHART

Протокол HART развивался на протяжении многих лет с развитием технологий и повышением сложности вариантов использования. Одним из последних продуктов его эволюции является новая технология WirelessHART, которая предлагает совершенно новые возможности с беспроводной передачей информации по принципу HART.

Это первый стандартизированный (МЭК 62591) протокол беспроводной связи в области автоматизации процессов. В отличие от обычного протокола HART, на данном этапе он поддерживает связь только по цифровому сигналу, поскольку аналоговая связь не обеспечивается, так как не используется соединительный кабель.

В настоящее время существует два различных решения WirelessHART, в том числе: адаптер WirelessHART для улучшения существующих устройств HART и приемопередатчик WirelessHART с автономным питанием.

WirelessHART может использоваться в рамках существующих проводных приборов для сбора огромного количества информации, а также обеспечивает экономичный, простой и надежный способ развертывания новых точек измерения и контроля без затрат на проводку.

Источник

HART протокол цифровой передачи данных приборов КИПиА

HART обеспечивает цифровую двунаправленную связь между датчиком и вторичным прибором или контроллером. Время отклика HART около 500 мс, скорость передачи равна 1200 бит/с. Протокол связи HART может применятся и во взрывоопасных зонах в том случае, если развязывающие устройства (барьеры взрывозащиты) поддерживают HART протокол.

Имеются два способа реализации HART связи с датчиками:

Токовый модулированный HART сигнал преобразуется в напряжение на внутреннем входном сопротивлении приемника. Чтобы обеспечить надежный прием сигнала, протокол HART определяет полную нагрузку токового контура, включая сопротивление кабеля, которая должна быть в пределах от 230 Ом до 1100 Ом. Обычно, однако, верхний предел определяется не этой спецификацией, а ограниченной нагрузочной способностью источника питания.

Управление доступом по протоколу HART.

Полевые устройства HART (датчики с поддержкой HART) являются ведомыми устройствами и всегда реагируют только на запрос ведущего устройства HART. При работе коммуникационные узлы можно добавлять или удалять, не прерывая процесса связи.

При подключении HART коммуникатора или модема к не поддерживаемому типу датчиков в лучшем случае удается посмотреть (иногда и изменить) диапазон измерения, единицы измерения, величину выходного сигнала, а также откалибровать точку нуля. Откалибровать чувствительность или зайти в меню расширенных настроек Advanced setup в большинстве случаев не удастся. Для того, чтобы получить возможность работы с данным типом датчиком нужно загрузить в коммуникатор (или программное обеспечение модема) файл-описание этого датчика, так называемый драйвер описания устройства (DD или DTM)

Скачать необходимые DD и DTM файлы для новых устройств с поддержкой HART или для тех устройств, которые отсутствуют в штатной библиотеке HART коммуникатора или программного обеспечения модема можно на официальном сайте ассоциации HART Communication Foundation или на сайте производителя применяемого оборудования КИП.

Выбор кабеля для HART связи.

Указанные в таблице значения относятся к типичным устройствам HART в не искробезопасных или взрывозащищенных окружающих средах, то есть без влияния различных последовательных импедансов. Подробная информация о вычислении максимальной длины кабеля для всех контуров HART предоставлена в спецификации физического уровня HART.

Как правило, проводка HART должна выполняться витой парой. Если используются очень тонкие и/или длинные кабели, то сопротивление кабеля и, следовательно, полная нагрузка увеличиваются. В результате растет ослабление и искажение сигнала, в то время как критически важная скорость передачи данных в сети уменьшается. Если возможны электромагнитные помехи со стороны другого работающего рядом оборудования, то кабели должны быть экранированными, особенно при большой длине линий связи. Сигнальный контур и кабельный экран должны заземляться только в одной общей точке.

Согласно спецификации HART при выборе типа кабеля нужно следовать следующим основным правилам:

При установке устройств с поддержкой HART убедитесь, что нагрузка устройства HART не превышает 1100 Ом согласно спецификации на данный протокол связи. Технологический контроллер или вторичный прибор должны быть способны обеспечить питание для подключенного двухпроводного устройства HART.

Достоинства и недостатки протокола HART.

Протокол связи HART имеет следующие достоинства:

Согласно исследованию, проведенному компанией ARC Advisory Group в конце 2010 года 46% от 69,2 млн. контрольно-измерительных приборов и устройств, установленных по всему миру имеют поддержку HART и тенденция увеличения количества подобных устройств сохраняется.

Главным недостатком HART является то обстоятельство, что усовершенствования протокола могут производиться только в области программного обеспечения, а не в аппаратной части протокола (в связи с необходимостью поддерживать совместимость со «стареющей» технологией аналоговой аппаратуры). Следовательно, сегодня HART является медленной технологией по сравнению с другими протоколами и системами связи.

Дополнительные сведения о HART протоколе можно найти в энциклопедии АСУТП.

Источник

Передатчики стандарта HART

Мэтью Саседа (Texas Instruments)

В статье «Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?» авторы обсудили протокол скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (HART) и его место в конструкциях сенсорных датчиков. Напомним, что простые конструкции передатчиков традиционно передают аналоговое значение, обычно называемое технологической переменной (ТП, PV), через токовую петлю. Эта технологическая переменная обычно связана с измеряемым параметром датчика, таким как влажность, температура, pH, давление, который представлен аналоговым сигналом 4…20 мА. Такой аналоговый сигнал может быть передан по проводу длиной несколько километров, пока не достигнет аналоговой интерфейсной схемы, регистрирующей падение потенциала на шунтирующем резисторе, чтобы преобразовать переданную величину сигнала датчика.

Все это хорошо, пока вы хотите передавать только один параметр. Но что делать, если необходимо отправить или получить дополнительные данные по тем же двум проводам? Это возможно путем использования в конструкции вашего передатчика технологии HART.

При включении модема HART приложение сможет передавать данные по расширенным процедурам калибровки, отправлять диагностические данные или передавать технологические переменные с других подключенных сенсорных платформ. Эта передача данных возможна посредством сигнала HART с частотной манипуляцией (FSK), которая накладывается на аналоговый сигнал токовой петли.

Перед тем как погрузиться в специфические особенности конструкции двухпроводного передатчика HART, пройдите (или освежите в памяти) ускоренный курс проектирования простого двухпроводного передатчика [1]. Закончили обзор? Отлично! Теперь Вы на полпути.

Начнем со схемы, показанной на рисунке 1.

Рис. 1. Двухпроводный передатчик с модемом HART

Схема может казаться несколько сложной, но единственная разница между этой схемой и показанной в записи блога о простом двухпроводном передатчике – это включение модема HART DAC8740H. Небольшой ток покоя модема DAC8740H (порядка 180 мкА) делает его превосходным кандидатом для решения задач передачи данных с маломощных датчиков. Используя методы, показанные в ускоренном курсе [1], определим коэффициент усиления \((1+\frac)\) для токовой петли.

Между модемом HART и передатчиком имеются всего две точки присоединения. На рисунке 2 вывод DAC8740H MODOUT модема HART соединяется с передатчиком по переменному току через конденсатор C1. Этот конденсатор вместе с R6 создает фильтр верхних частот, который ослабляет частоты более низкие, чем выбранная частота отсечки, \(\frac<1><(2\times TT\times R6\times C1)>\).

Рис. 2. Присоединение модема HART

Во время работы сигнал HART FSK с амплитудой 1 мА р-p поступает из точки выхода модуляции MODOUT и накладывается на аналоговое значение тока в петле. Резистор R6, включенный последовательно между HART-модемом и неинвертирующим терминалом U3, может устанавливать и менять амплитуду сигнала FSK. С учетом наложения, формула 1 определяет переменную компоненту тока в петле как:

Подставляя из схемы значения для R3, R4 и напряжения полного размаха на выходе модуляции, получим величину для R6. Имея значение R6 и выбрав частоту среза фильтра верхних частот, можно вычислить величину C1. В типовом проекте высокоточного преобразователя для токовой петли 4…20 мА с модемом HART частота среза составляет 679 Гц, что позволяет эффективно ослаблять шум и частоты ниже 1200 и 2200 Гц без существенного влияния на диапазон частот сигналов HART.

Вход сигнала HART – ножка MOD_IN микросхемы DAC8740H – подключается со связью по переменному току через конденсатор C2 к положительному проводу линии и поступает на внутренний полосовой фильтр модема.

Готово! Вы закончили конструкцию передатчика HART и можно двигаться дальше. Следующим шагом будет создание интеллектуального передатчика сигнала датчика, для чего необходимо выбрать интерфейс датчика, например, TMP116 – микросхему, обеспечивающую лучшую точность, чем резистивный датчик температуры класса А (RTD).

Источник

Начнем с основного: что такое протокол HART и как он работает?

Гавин Бакши, Одри Дейриен (Texas Instruments)

Устройства связи в системах промышленной автоматизации позволяют передавать данные, команды и другую информацию для оптимизации управления технологическим процессом и автоматизации производства. Обслуживающему персоналу затруднительно следить за всем оборудованием на заводе – это бы существенно снизило производительность.

Один из способов автоматического контроля промышленного оборудования – это использование токовой петли 4…20 мА. Первичная переменная (PV) передается как значение тока в диапазоне 4…20 мА в двухпроводной линии с питанием датчика по тем же двум проводам. Недостаток этого метода заключается в том, что вы можете контролировать только одну переменную. Протокол Скоростного адресного доступа к удаленному преобразователю (Highway Addressable Remote Transducer, HART) дает возможность передавать больше информации по той же двухпроводной системе. Протокол HART является распространенным методом связи в промышленной автоматизации на протяжении уже многих лет. Рассмотрим, работу HART, но сперва вспомним, как возник этот метод.

В конце 1990-х годов в телекоммуникации был принят стандарт Bell 202 для передачи информации о вызывающем абоненте в линии голосового сигнала. Частотная манипуляция сигнала (FSK) в звуковом диапазоне, которая использует модулированные тоны для передачи цифрового сигнала, передает цифровую информацию, содержащую номер телефона. Передача данных со скоростью 1200 бит/сек с использованием тональных частот 1200 и 2200 Гц, представляющих двоичный «1» или «0» соответственно, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Модуляция со сдвигом частоты (FSK)

Информация о вызывающем абоненте не создает помехи голосовому сигналу, так что вся она может передаваться по одной и той же физической линии. Внедрение способа “Bell 202 FSK” позволило еще до снятия трубки на принимающей стороне отправлять большой объем данных, который может быть выделен и использован для передачи информации номера вызывающего абонента. После того как трубка телефона поднята, передача сигнала FSK прекращается, и голосовой сигнал будет принят и передан на динамик телефонной трубки.

В примере с передачей информации о вызывающем абоненте речевой сигнал представляет собой первичную переменную (PV). Аналогичным образом в промышленных приложениях сигнал, который должен постоянно контролироваться, известен как основное измеряемое значение. Основным измеряемым значением может быть температура или уровень давления, измеряемые в промышленных установках.

Модем HART модулирует и демодулирует сигнал с использованием FSK таким же образом, как и система передачи Bell 202. Теперь возможно передавать цифровые данные, к примеру, идентификацию датчика или устройства, данные калибровки или другую диагностическую информацию по той же двухпроводной петле, по которой передается и сигнал постоянного тока 4…20 мА. Такая система обычно называется «гибридной», поскольку она сочетает в себе как цифровые, так и аналоговые сигналы. На рисунке 2 показаны аналоговый сигнал и наложенный цифровой сигнал.

Рис. 2. Ток 4…20 мА и информация HART

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:

Семейство микросхем DAC8740H производства компании Texas Instruments объединяет модем HART вместе со всеми сопутствующими компонентами, такими как источник опорного напряжения и генератор, что облегчает встраивание в готовую систему.

Продолжение темы читайте в статье «Передатчики стандарта HART».

Источник

Шины и протоколы в промышленной автоматике: как всё это работает

Наверняка многие и вас знают или даже видели, каким образом управляются большие автоматизированные объекты, например, атомная станция или завод со множеством технологических линий: основное действо часто происходит в большой комнате, с кучей экранов, лампочек и пультов. Это комплекс управления обычно называется ГЩУ — главный щит управления для контроля за производственным объектом.

Наверняка вам было интересно, как всё это работает с точки зрения аппаратной и программной части, и какие там используются протоколы передачи данных. В этой статье мы разберемся, как различные данные попадают на ГЩУ, как подаются команды на оборудование, и что вообще нужно, чтобы управлять компрессорной станцией, установкой производства пропана, линией сборки автомобиля или даже канализационно-насосной установкой.

Нижний уровень или полевая шина — то, с чего всё начинается

Этот неясный для непосвященных набор слов используется, когда нужно описать средства общения устройств управления с подведомственным оборудованием, например, модулями ввода-вывода или измерительными устройствами.

Под устройствами управления мы подразумеваем ПЛК, т.е. программируемые логические контроллеры (англ. PLC), или ПКА, т.е. программируемые контроллеры автоматизации (англ. PAC). Между ПЛК и ПКА есть некоторые различия, однако, в рамках данной статьи они не существенны, поэтому для упрощения будем использовать общий термин «контроллер».

В русскоязычном сообществе асушников канал общения между контроллером и другими устройствами обычно называют «полевой шиной», потому что он отвечают за передачу данных, которые приходят с «поля».

«Поле» — это глубокий профессиональный термин, обозначающий тот факт, что некое оборудование (например, датчики или исполнительные механизмы), с которым взаимодействует контроллер, находятся где-то далеко-далеко, на улице, в полях, под покровом ночи. И неважно, что датчик может быть расположен в полуметре от контроллера и измерять, допустим, температуру в шкафу автоматики, все равно считается, что он находится «в поле». Чаще всего сигналы с датчиков, приходящие в модули ввода-вывода все-таки преодолевают расстояния от десятков до сотен метров (а иногда и больше), собирая информацию с удаленных площадок или оборудования. Собственно, поэтому шина обмена, по которой контроллер получает значения с этих самых датчиков, называется обычно полевой шиной или реже шиной нижнего уровня или промышленной шиной.

Тут следует отметить, что в Европе и США полевым уровнем считаются только сами устройства, расположенные «в поле», но не среда передачи данных. В российских реалиях термин «полевая шина» или «шина нижнего уровня», пожалуй, слегка размыт и обозначает способ передачи данных от модулей ввода-вывода к контроллеру и наоборот.

Общая схема автоматизации промышленного объекта

Итак, электрический сигнал от датчика проходит некое расстояние по кабельным линиям (чаще по обычному медному кабелю с некоторым количеством жил), к которым подсоединяются несколько датчиков. Затем сигнал попадает в модуль обработки (модуль ввода-вывода), там он преобразуется в понятный контроллеру цифровой язык. Далее этот сигнал по полевой шине попадает непосредственно в контроллер, где и обрабатывается уже окончательно. На основе таких сигналов и строится логика работы самого контроллера. Существует и обратный путь: от контроллера команда управления по полевой шине попадает в модуль вывода, где преобразуется из цифрового вида в аналоговый и поступает по кабельным линиям к исполнительным механизмам и различным устройствам (на схеме выше не указаны).

Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции

Верхним уровнем называют все то, к чему может прикасаться обычный смертный оператор, который управляет технологическим процессом. В простейшем случае верхний уровень представляет собой набор лампочек и кнопочек. Лампочки сигнализируют оператору о неких происходящих событиях в системе, кнопочки служат для подачи команд контроллеру. Такую систему часто называют «гирлянда» или «ёлка», потому что выглядит очень похоже (как можно убедиться по фотографии в начале статьи).

Если оператору повезло больше, то в качестве верхнего уровня ему достанется панель оператора — некий плоскопанельный компьютер, который тем или иным образом получает данные для отображения от контроллера и выводит их на экран. Такая панель обычно монтируется на сам шкаф автоматики, поэтому взаимодействовать с ней приходится, как правило, стоя, что вызывает неудобства, плюс качество и размер изображения — если это малоформатная панелm — оставляет желать лучшего.

Ну и, наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (а то и несколько дублирующих), представляющая собой обычный персональный компьютер.

Для наглядного отображения информации на рабочих станциях и плоскопанельных компьютерах используют специализированное программное обеспечение — SCADA-системы. На человеческий язык SCADA переводится как система диспетчерского управления и сбора данных. Она включает в себя множество компонентов, таких как человеко-машинный интерфейс, визуализирующий технологические процессы, систему управления этими процессами, систему архивирования параметров и ведение журнала событий, систему управления тревогами и т.д. Всё это дает оператору полноценную картину происходящих на производстве процессов, а также возможность ими управлять и оперативно реагировать на отклонения от технологического процесса.

Оборудование верхнего уровня обязано взаимодействовать неким образом с контроллером (иначе зачем оно нужно?). Для такого взаимодействия используются протоколы верхнего уровня и некая технология передачи, например, Ethernet или UART. В случае с «ёлкой» таких изощрений, конечно, не нужно, лампочки зажигаются с использованием обычных физических линий, никаких мудреных интерфейсов и протоколов там нет.

В общем-то, этот верхний уровень менее интересен, нежели полевая шина, поскольку этого верхнего уровня может вообще не быть (из серии нечего там смотреть оператору, контроллер сам разберется, что и как нужно делать).

«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART

Мало кто знает, но на седьмой день создания мира Бог не отдыхал, а создавал Modbus. Наравне с HART-протоколом, Modbus, пожалуй, самый старый промышленный протокол передачи данных, он появился аж в 1979 году.

В качестве среды для передачи изначально использовался последовательный интерфейс, затем Modbus реализовали поверх TCP/IP. Это синхронный протокол по схеме «мастер-слейв» (главный-подчиненный), в котором используется принцип «запрос-ответ». Протокол довольно тяжеловесный и медленный, скорость обмена зависит от характеристик приемника и передатчика, но обычно счет идет чуть ли не на сотни миллисекунд, особенно в реализации через последовательный интерфейс.

Более того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что сразу же накладывает ограничения на передачу типов real и double. Они передаются либо по частям, либо с потерей точности. Хотя Modbus до сих пор повсеместно используется в случаях, когда не нужна высокая скорость обмена и потеря передаваемых данных не критична. Многие производители различных устройств любят расширять протокол Modbus своим исключительным и очень оригинальным образом, добавляя нестандартные функции. Поэтому данный протокол имеет множество мутаций и отклонений от нормы, но все же до сих пор успешно живет в современном мире.
Протокол HART тоже существует с восьмидесятых годов, это промышленный протокол обмена поверх двухпроводной линии токовой петли, в которую напрямую включаются датчики 4-20 мА и другие приборы с поддержкой протокола HART.

Для коммутации линий HART используются специальные устройства, так называемые HART-модемы. Также существуют преобразователи, которые на выходе предоставляют пользователю уже, допустим, протокол Modbus.

Примечателен HART, пожалуй, тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается и цифровой сигнал самого протокола, это позволяет соединить цифровую и аналоговую часть в одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут подключаться в USB-порт контроллера, соединяться по Bluetooth, либо же старинным способом через последовательный порт. Десяток лет назад по аналогии с Wi-Fi появился и беспроводной стандарт WirelessHART, работающий в диапазоне ISM.

Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME

На смену протоколам Modbus и HART пришли не совсем промышленные шины, такие как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), а также VME.

Настала эра вычислителей, имеющих в своем распоряжении универсальную шину передачи данных, куда можно подключать различные платы (модули) для обработки некоего унифицированного сигнала. Как правило, в этом случае процессорный модуль (вычислитель) вставляется в так называемый каркас, который обеспечивает взаимодействие по шине с другими устройствами. Каркас, или, как его любят называть трушные автоматизаторы, «крейт», дополняется необходимыми платами ввода-вывода: аналоговыми, дискретными, интерфейсными и т.д., либо все это слепливается в виде бутерброда без каркаса — одна плата над другой. После чего это многообразие на шине (ISA, PCI, etc.) обменивается данными с процессорным модулем, который таким образом получает информацию с датчиков и реализовывает некую логику.

Контроллер и модули ввода-вывода в каркасе PXI на шине PCI. Источник: National Instruments Corporation

Все бы ничего с этими шинами ISA, PCI(e) и VME, особенно для тех времен: и скорость обмена не огорчает, и расположены компоненты системы в едином каркасе, компактно и удобно, горячей замены плат ввода-вывода может и не быть, но пока еще и не очень хочется.

Но есть ложка дегтя, и не одна. Распределенную систему довольно сложно построить в такой конфигурации, шина обмена локальная, нужно что-то придумывать для обмена данными с другими подчиненными или равноправными узлами, тот же Modbus поверх TCP/IP или какой другой протокол, в общем, удобств маловато. Ну и вторая не очень приятная штука: платы ввода-вывода обычно ждут на вход какой-то унифицированный сигнал, и гальванической развязки с полевым оборудованием у них нет, поэтому нужно городить огород из различных модулей преобразования и промежуточной схемотехники, что сильно усложняет элементную базу.

Промежуточные модули преобразования сигнала с гальванической развязкой. Источник: DataForth Corporation

«А что с протоколом обмена по промышленной шине?» — спросите вы. А ничего. Нет его в такой реализации. По кабельным линиям сигнал попадает с датчиков на преобразователи сигналов, преобразователи выдают напряжение на дискретную или аналоговую плату ввода-вывода, а данные с платы уже читаются через порты ввода/вывода, средствами ОС. И никаких специализированных протоколов.

Как работают современные промышленные шины и протоколы

А что теперь? К сегодняшнему дню классическая идеология построения автоматизированных систем немного поменялась. Роль сыграли множество факторов, начиная с того, что автоматизировать тоже должно быть удобно, и заканчивая тенденцией на распределенные автоматизированные системы с удаленными друг от друга узлами.

Пожалуй, можно сказать, что основных концепций построения систем автоматизации на сегодняшний день две: локализованные и распределенные автоматизированные системы.

В случае с локализованными системами, где сбор данных и управление централизовано в одном конкретном месте, востребована концепция некоего набора модулей ввода-вывода, соединенных между собой общей быстрой шиной, включая контроллер со своим протоколом обмена. При этом, как правило, модули ввода-вывода включают в себя и преобразователь сигнала и гальваническую развязку (хотя, разумеется, не всегда). То есть конечному потребителю достаточно понять, какие типы датчиков и механизмов будут присутствовать в автоматизированной системе, сосчитать количество требуемых модулей ввода-вывода для разных типов сигналов и соединить их в одну общую линейку с контроллером. В этом случае, как правило, каждый производитель использует свой любимый протокол обмена между модулями ввода-вывода и контроллером, и вариантов тут может быть масса.

В случае распределенных систем справедливо все, что сказано в отношении локализованных систем, кроме этого, важно, чтобы отдельные компоненты, например, набор модулей ввода-вывода плюс устройство сбора и передачи информации — не очень умный контроллер, который стоит где-нибудь в будке в поле, рядом с краном, который перекрывает нефть, — могли взаимодействовать с такими же узлами и с главным контроллером на большом расстоянии с эффективной скоростью обмена.

Как разработчики выбирают протокол для своего проекта? Все современные протоколы обмена обеспечивают довольно высокое быстродействие, поэтому зачастую выбор того или иного производителя обусловлен не скоростью обмена по этой самой промышленной шине. Не так важна и реализация самого протокола, потому что, с точки зрения разработчика системы, это все равно будет черный ящик, который обеспечивает некую внутреннюю структуру обмена и не рассчитан на вмешательство извне. Чаще всего обращают внимание на практические характеристики: производительность вычислителя, удобство применения концепции производителя к поставленной задаче, наличие нужных типов модулей ввода-вывода, возможность горячей замены модулей без разрыва шины и т.д.

Популярные поставщики оборудования предлагают собственные реализации промышленных протоколов: например, всем известная компания Siemens разрабатывает свою серию протоколов Profinet и Profibus, компании B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Отечественное решение в этом списке примеров: версия протокола FBUS от российской компании Fastwel.

Есть и более универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. Мы подробно разберем эти протоколы в продолжении статьи и разберемся, какие из них лучше подходят для конкретных применений: автомобильной и аэрокосмической промышленности, производства электроники, систем позиционирования и робототехники. Оставайтесь на связи!

Источник