Il Protocollo HART

INTRODUZIONE ALLO STANDARD HART

4 ... 20 mA

E

Conventional1965

A

Syste

m

an

alo

g/b

ina

ry I/O´s

Syste

m

an

alo

g/b

ina

ry I/O´s

Evoluzione della comunicazione

E + #1980

4 ... 20 mA + comunicazione,

digitale sovrappostaA

FrequencyShift Keying

1200 Hz 2400 Hz

FSK-Modem

La comunicazione HART

Protocollo HART® � (Highway Addressable Remote Transducer) é uno standard

di comunicazione “aperto” con le seguenti caratteristiche:

� Un sistema di comunicazione digitale bidirezionale per dispositivi di controllo di

processo.

� Un’estensione del convenzionale segnale analogico

� Permette di gestire in maniera remota lettura di variabili e diagnostica oltre alla

configurazione dei parametric di uno strumento.

� Sovraimposto alla corrente di uscita permette in maniera simultanea la

trasmissione del segnale 4÷20 mA e del segnale digitale di comunicazione.

La comunicazione HART

� HART è un protocollo basato sul meccanismo di domanda e risposta.

� La comunicazione è iniziata dal Master verso lo Slave.

� Ci possono essere fino a 2 master collegati su ogni loop HART

� Il Primary master che generalmente è un DCS, PLC, o un PC

� Il Secondary master che tipicamente è un Palmare (Hand Held Terminal)

o un’altro PC

� Gli slaves sono tipicamente strumenti da campo (field devices) quali

trasmettitori, attuatori e controllori che rispondono alle domande

(Commands) ricevute dal primary o secondary masters

� Normalmente possono essere eseguite fino a 2, 3 comunicazioni al secondo

tra master e slave

Protocollo HART

Utilizza i layer 1, 2 e 7 del modello di riferimento OSI (Open Systems

Interconnection )

» 1- Physical Layer (connette fisicamente I dispositivi)

» 2- Data link layer (forma e controlla il frame del messaggio)

» 7- Application layer (costitisce il set dei comandi)

Physical Media

5 Session

4 Transport

3 Network

2 DATA LINK

1 PHYSICAL

7 APPLICATION

6 Presentation6 Presentation

M

A

N

A

G

E

M

E

N

T

M

A

N

A

G

E

M

E

N

T

5 Session

4 Transport

3 Network

2 DATA LINK

1 PHYSICAL

7 APPLICATION

6 Presentation6 Presentation

8 USER8 USER

DEVICE - 1 DEVICE – n°

Physical Layer

� Basata sullo standard Bell 202

FSK (Frequency Shift Keying)

modulazione di corrente ±

0.4 mA sovraimposta al

segnale analogico 4-20 mA.

� Essendo il bilancio energetico

sommato al loop di corrente

virtualmente uguale a zero,

nessun disturbo o interferenza

avviene sul segnale analogico

di processo

� La massima distanza di

comunicazione dipende dalla

costruzione della rete e dalle

condizioni ambientali (≈ 2 Km)

Data Link Layer

Master SlaveACTION (write data, read data, operation)

Preamble SD Address Command Byte Count DATA CKS

Preamble SD Address Command Byte Count DATA CKSRC

• Il Master primario o secondario trasmette un comando HART allo slave

Lo slave esegue l’azione richiesta dal comando....una tra:

• Legge il valore di una variabile/parametro

• Scrive il nuovo valore di un parametro

• Esegue un’operazione

• Lo slave risponde al master

Diagnostica dei dispositivi HART

9

1 2 3 4 5 6 7 8communication error summary

Vertical parity error

Overrun error

Framing error

Longitudinal Parity error

Reserved

Buffer Overflow

Undefined

RC 1

1 2 3 4 5 6 7 8

Field Device Malfunction

Configuration Changed

Cold Start

More Status Available

Pv analog output fixed

Pv analog output saturated

Non Pv out of limits

Pv out of limits

RC 2

RC

Application Layer

• Lo scambio di informazioni tra un Master Hart ed uno Slave

Hart avviene tramite i cosiddetti Hart Commands

• Il set dei comandi HART è strutturato in tre classi:

– Universal commands

– Common Practice Commands

– Device-Specific Commands

HART Commands

• Universal Commands

– Sono disponibili e riconosciuti da tutti i dispositivi da campo

indipendentemente dal costruttore.

– Questi comandi sono obbligatori per ogni strumento HART.

• Common Practice Commands

– Sono comandi comunemente usati dalla maggior parte di strumenti HART

– Questi comandi non sono obbligatori ma necessari per consentire la

configurazione di un dispositivo HART in modo soddisfacente

• Device Specific Commands

– Sono comandi creati/inventati dal costruttore per un suo strumento e quindi

non comune ad altri tipi di dispositivi.

– Sono comandi che ogni costruttore può decidere di sviluppare per

differenziare il suo strumento da quello della concorrenza per operazioni

particolari

Connessione diretta (point to point)

• E’ necessario avere una

impedenza minima di 230 Ω

sul loop per la

comunicazione.

• Il Master può essere

connesso in ogni punto del

loop di corrente. La

connessione deve essere

fatta in parallelo al

trasmettitore ed è

indipendente dalla polarità.

• Il trasmettitore è settato con indirizzo = 0 così che il segnale d’uscita 4-20 mA

possa variare al variare della misura.

• L’accesso al trasmettitore per operazioni di lettura e scrittura via Hart viene

effettuato usando l’indirizzo 0 nel telegramma di richiesta

Connessione multidrop

• Il Master può essere connesso in ogni punto del loop di corrente. La connessione

deve essere fatta in parallelo al trasmettitore ed è indipendente dalla polarità.

• Ogni trasmettitore ha un’indirizzo diverso da 0 tra 1 e 15 con HART5 oppure tra 1 e 63 con

HART7 e la sua uscita è fissa al valore minimo possibile di mA……tipicamente 4.0 mA (o meno)

• L’alimentatore deve essere dimensionato per alimentare fino a 15/63 strumenti con questa

uscita fissa di mA.

• L’accesso ai trasmettitori per operazioni di lettura e scrittura via Hart viene effettuato usando il

loro indirizzo (1-15) nel telegramma di richiesta

• I trasmettitori sono tutti settati con indirizzo = 0 modulando il segnale

d’uscita 4…20 mA ma, allo stesso tempo, sono indirizzabili individualmente

attraverso il Multiplexer per operazioni di lettura e scrittura via protocollo

HART .

Connessione broadcasting

Device Drivers (DD and DTM)

� Sono entrambi equivalenti ad un electronic data sheet……sono come i

driver di una stampante.

� Sono entrambi files che hanno lo stesso scopo ma con diverse tecnologie.

� Entrambi descrivono le informazioni/oggetti contenuti nei dispositivi HART

� Il master HART Interpreta queste descrizioni per poter poi accedere ai vari

oggetti attraverso la comunicazione HART.

� DDs è un file obbligatorio per ogni dispositivo

� Il DTM in un driver opzionale

� DDs possono essere scaricati dal sito www.fieldcomm.org

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Tools and Drivers

FDTDTM

EDD

FDT Frame

applications

EDDEDDL

Tools

• Trasmissione di una sola variabile di

processo (il valore della corrente 4..20

mA)

• Riconoscimento di problemi di

collegamento (interruzione della linea)

• Riconoscimento di problemi di

strumento sotto forma di livello del

segnale d‘uscita 3.6 mA / 21.5 mA

• Può essere trasmessa più di una variabile di

processo

• Ogni variabile di processo è trasmessa con

il suo Quality Status (HART7)

• Le variabili di processo sono trasmesse in

formato ingegneristico e ad Alta risoluzione

• Si ha una visibilità estesa dello strumento

potendo accedere a informazioni al suo

interno

• Le informazioni di diagnostica riguardo

rotture nello strumento possono essere

trasmessi per funzioni di Asset Management

NAMUR NE107 (HART7)

analog digital

Differenze tra comunicazione analogica e digitale nell’automazione

di processo

Conclusione

� In genere si usa il segnale “Continuo/Ciclico” 4...20 mA per il controllo di

processo in combinazione col protocollo di comunicazione “Aciclico” HART per

operazioni di configurazione, manutenzione, monitoraggio degli strumenti da

una postazione remota.

� Il protocollo HART è troppo lento (2 letture al secondo) per essere usato come

bus di campo (multidrop) e acquisire le misure in formato digitale invece del

segnale 4…20 mA per il controllo dei processi anche se potrebbe essere

possibile per processi molto lenti

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no conflict; (B) resolve the conflict with the IPR owner; or (C) modify the standard to remove the conflicting requirement. In no case does the Group encourage implementers to infringe on any individual's or organization's IPR.

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