HART-ПРОТОКОЛ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ HART-ПРОТОКОЛА

HART PROTOCOL: PRINCIPLES OF STRUCTURE AND OPERATION

Postnikov Artem

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Kalinin Vitalii

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Ivanova Tatyana

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются принципы построения и функционирования HART-протокола (Highway Addressable Remote Transducer), являющегося открытым международным стандартом для сетевого обмена данными между интеллектуальными измерительными и управляющими устройствами. Приведены исторические предпосылки его разработки, особенности применения в промышленности и основные области использования. Подробно описаны физические основы передачи сигналов в рамках HART, включающие совмещение аналоговой токовой петли 4–20 мА с цифровым полудуплексным обменом данными, а также методы разделения сигналов и частотная манипуляция с непрерывной фазой. Показаны архитектура взаимодействия устройств, структура цифрового обмена, принципы формирования и приема сообщений, а также роль микроконтроллера в реализации протокола.

ABSTRACT

The article examines the principles of construction and operation of the HART protocol (Highway Addressable Remote Transducer), which is an open international standard for network data exchange between intelligent measuring and control devices. The historical background of its development, features of industrial application, and main areas of use are presented. The physical foundations of signal transmission within HART are described in detail, including the combination of the 4–20 mA analog current loop with digital half-duplex data exchange, as well as methods of signal separation and continuous phase frequency shift keying. The architecture of device interaction, the structure of digital communication, the principles of message formation and reception, and the role of the microcontroller in protocol implementation are highlighted.

Ключевые слова: HART-протокол, токовая петля 4–20 мА, полудуплексная передача, частотная манипуляция, интеллектуальные датчики, измерительные преобразователи, промышленная автоматизация, микроконтроллер.

Keywords: HART protocol, 4–20 mA current loop, half-duplex transmission, frequency shift keying, smart sensors, transducers, industrial automation, microcontroller.

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer) является открытым стандартом сетевого обмена, охватывающим как принципы взаимодействия устройств, так и требования к аппаратуре канала связи. Разработанный в 1980 году компанией Rosemount Inc. и позднее открытый, он поддерживается международной организацией HART Communication Foundation.

Протокол применяется для связи контроллеров с интеллектуальными датчиками, измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами и взрывобезопасным оборудованием. Несмотря на низкую скорость передачи (1200 бит/с) и использование аналоговой токовой петли, HART продолжает активно развиваться благодаря надежности, совместимости и востребованности в сегменте дорогостоящих интеллектуальных и искробезопасных устройств.

Рисунок 1. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе

HART-протокол был создан в 1980 году для обеспечения совместимости с токовой петлёй 4–20 мА и расширения её возможностей за счёт управления интеллектуальными устройствами. В модернизированной петле одновременно передаются аналоговый сигнал и цифровой полудуплексный обмен. Разделение сигналов обеспечивается различием их частотных диапазонов: аналоговый (0–10 Гц) и цифровой (1200/2200 Гц), формируемый методом частотной манипуляции с непрерывной фазой по стандарту BELL 202.

Обмен инициируется контроллером: цифровой сигнал подаётся в линию передачи и принимается датчиком в виде напряжения. В ответ устройство формирует аналоговый сигнал измеренной величины и цифровые служебные данные (единицы измерения, диапазон, тип датчика и др.), которые суммируются и передаются в линию в форме тока. На стороне контроллера сигналы разделяются фильтрами низких и высоких частот, при этом цифровая составляющая вносит минимальную погрешность (0,01% от 20 мА). Источник тока в HART-устройстве может быть как встроенным, так и внешним.

HART-протокол может работать, как только с аналоговым сигналом 4–20 мА, так и только с цифровым обменом. В случае использования исполнительных устройств (например, электромагнитных клапанов) источник тока размещается в ведущем устройстве, а режим работы передатчика и приёмника меняется по команде микроконтроллера.

Каждое HART-устройство содержит микроконтроллер с UART и ППЗУ. Микроконтроллер формирует цифровой поток, который в UART преобразуется в 11-битные слова (стартовый бит, байт данных, бит паритета и стоповый бит). Далее последовательность передаётся в модем для частотной манипуляции и через интерфейсный блок поступает в линию связи: от контроллера — в виде напряжения, от датчика — в виде тока.

Рисунок 2. Прохождение аналоговых и цифровых сигналов через устройства с HART-протоколом

На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным блоком, преобразуется ЧМ модемом в последовательность битов, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения.

Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если пришла команда запроса измеренных данных, контроллер датчика принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА (рис. 2).

В HART-сети может быть два ведущих устройства: контроллер и ручной коммуникатор, используемый для настройки и считывания параметров, который подключается в любом месте сети. Сеть поддерживает «горячую» замену и добавление устройств, а при сбоях автоматически повторяет обмен.

Передачу всегда инициирует ведущее устройство, остальные узлы в этот момент только принимают сигнал. Ведомые отвечают на запросы по своему уникальному адресу: короткому (4 бита), длинному (38 бит) или назначаемому пользователем тегу.

Список литературы:

1. Иванов, А. П. Путевые подогреватели нефти и их применение в нефтепроводной системе / А. П. Иванов // Нефть и Газ. – 2020. – № 4. – С. 23-29
2. Рябов, Д. И. Моделирование тепловых процессов в путевых подогревателях нефти / Д. И. Рябов // Компьютерные технологии в промышленности. – 2020. – № 3. – С. 87-95.
3. Дьяконов, В. П. Цифровая обработка сигналов в системах управления / В. П. Дьяконов. – Москва: Солон-Пресс, 2012. – 512 с.