Visas diegimo kelias nuo lusto iki sistemos (1 dalis)
HART technologijų sprendimų informacinė knyga
Visas diegimo kelias nuo lusto iki sistemos (1 dalis)
Santrauka
Pramoninės automatikos srityje HART (greitkelio adresuojamo nuotolinio keitiklio) protokolas yra pagrindinė technologinė jungtis, jungianti tradicinę analoginę įrangą su moderniomis skaitmeninėmis valdymo sistemomis. Praėjus beveik keturiasdešimčiai metų pramoninės praktikos patvirtinimo, HART tapo vienu iš plačiausiai pasaulyje naudojamų lauko įrenginių ryšio protokolų. Naudojant „Bell 202 FSK“ moduliacijos technologiją, skaitmeninio ryšio signalai yra uždedami ant tradicinės 4–20 mA analoginės srovės kilpos, pasiekiant dvejopą analoginio perdavimo ir skaitmeninio ryšio sambūvį. Ši konstrukcija leidžia įmonėms aprūpinti esamą įrangą skaitmeninėmis galimybėmis, tokiomis kaip nuotolinis konfigūravimas, diagnostika realiuoju laiku ir daugiamatis perdavimas, nenutraukiant esamų valdymo kilpų ar netiesiant kabelių iš naujo.
Šio dokumento tikslas – pateikti sistemų inžinieriams, aparatinės įrangos kūrėjams ir projektų sprendimus priimantiems asmenims pramoninės automatizavimo srityje išsamų technologijų vadovą, apimantį lustų pasirinkimą, aparatinės įrangos projektavimą, protokolų rinkinio kūrimą ir sistemų integravimą. Jame taip pat nagrinėjami vietiniai pakeitimo keliai ir būsimos evoliucijos tendencijos, padedant vietos įmonėms kurti nepriklausomas ir valdomas HART technologijos galimybes.
I. Išsami HART protokolo techninės architektūros analizė
HART protokolas atitinka fizinio sluoksnio, duomenų perdavimo sluoksnio ir taikomojo sluoksnio specifikacijas OSI septynių sluoksnių modelyje. Jo techninės architektūros išradingumas slypi aukštu sluoksnių koordinavimo laipsniu ir puikiu pritaikymu atšiaurioms pramoninių objektų aplinkoms. Jo sluoksniavimo mechanizmo supratimas yra teorinis patikimų HART sistemų projektavimo pagrindas.
1.1 Fizinis sluoksnis: FSK moduliacija ir signalų sambūvio mechanizmas
HART fiziniame sluoksnyje naudojama Bell 202 standartinė dažnio poslinkio moduliacijos (FSK) technologija, kai 1200 Hz atitinka loginį „1“, o 2200 Hz – loginį „0“, o duomenų perdavimo sparta yra pastovi – 1200 bps. Skaitmeninis ryšio signalas uždedamas ant 4–20 mA analoginės srovės kilpos su silpnu ±0,5 mA srovės svyravimu nuo piko iki piko. Kadangi FSK signalo laiko vidurkis yra lygus nuliui, jis neturi didelės įtakos analoginio signalo perdavimo tikslumui.
1 lentelė. Pagrindiniai HART fizinio sluoksnio techniniai parametrai
| Moduliacijos metodas | Bell 202 FSK (dažnio keitimo klavišas) |
| Nešiklio dažnis | Loginis „1“: 1200 Hz | Loginis „0“: 2200 Hz |
| Baudo greitis | 1200 bps (fiksuotas) |
| Signalo amplitudė | ±0,5 mA (nuo piko iki piko vertė, uždedama ant 4–20 mA kilpos) |
| Apkrovos rezistorius | 250 Ω (standartinis, sukuria 1–5 V įtampos kritimą, kad būtų lengva matuoti) |
| Perdavimo atstumas | Teoriškai maksimalus ilgis yra 3000 m (priklausomai nuo kabelio specifikacijų ir topologijos). |
FSK moduliuotas signalas į srovės kilpą tiekiamas per talpinį jungimo tinklą. Jungimo grandinės konstrukcija turi užtikrinti mažos varžos takus esant 1200 Hz ir 2200 Hz dažniams, tuo pačiu pasižymėdama didelėmis izoliacijos charakteristikomis nuolatinės srovės ir žemo dažnio juostose, kad būtų išvengta trukdžių analoginiam signalui. Šis „dažnio dalijimo multipleksavimo“ mechanizmas yra pagrindinė HART protokolo ir 4–20 mA analoginių sistemų sklandaus veikimo garantija.
1.2 Duomenų perdavimo sluoksnis: pagrindinio-pavaldinio architektūra ir ryšio protokolas
HART duomenų perdavimo kanalo sluoksnis taiko griežtą „1 pagrindinis / n pavaldinių“ ryšio architektūrą, palaikančią du tinklo režimus:
Taško-taško režimas: pagrindinis įrenginys bendrauja su vienu pavaldiniu įrenginiu. Proceso kintamiesiems perduoti naudojamas 4–20 mA analoginis signalas, o skaitmeniniu kanalu perduodama įrenginio konfigūracijos ir diagnostikos informacija. Tinka tradicinių valdymo kilpų atnaujinimui.
Kelių mazgų režimas: prie vienos magistralės galima prijungti iki 15 pavaldžių įrenginių (šiuolaikinis HART-IP išplečiamas iki daugiau mazgų), ryšiui naudojant tik skaitmeninius kanalus, o įrenginio maitinimui tiekiama fiksuota 4 mA analoginė srovė. Tinka paskirstytiems jutiklių tinklams.
Duomenų perdavimo kanalo sluoksnio kadrų formatas atitinka griežtas struktūrizuotas specifikacijas, įskaitant preambulę, skirtuką, adreso lauką, komandos lauką, duomenų lauką ir tikrinimo seką, siekiant užtikrinti perdavimo patikimumą triukšmingoje pramoninėje aplinkoje. HART protokolas palaiko tiek ilgų, tiek trumpų kadrų formatus. Pirmasis palaiko 38 bitų unikalų įrenginio identifikatorių, o antrasis naudojamas adresavimo ir transliavimo komunikacijos supaprastinimui.
1.3 HART protokolų stekų sluoksnių architektūra
Visas HART protokolų rinkinys susideda iš kelių pagrindinių sluoksnių, kurių kiekvienas turi aiškiai apibrėžtas pareigas ir sąsajas, užtikrinančias standartizuotą įrenginių sąveikumo užtikrinimą:
2 lentelė. HART protokolo stekų sluoksnių architektūra ir funkcijų atvaizdavimas
| Fizinis sluoksnis | FSK moduliacija ir demoduliacija, signalų susiejimas, srovės kilpos valdymas ir kilpos maitinimo šaltinių valdymas. |
| Duomenų ryšio sluoksnis | Kadrų kapsuliavimas / analizavimas, CRC patikrinimas, pagrindinio-pavaldinio planavimas, susidūrimų aptikimas ir pakartotinis perdavimas |
| Taikymo sluoksnis | Universalios komandos, įprastos praktikos komandos ir konkrečiam įrenginiui skirtos komandos |
| Transporto sluoksnis | HART 7 įdiegtas segmentuotas perdavimo mechanizmas palaiko patikimą didelių duomenų paketų perdavimą. |
II. Pagrindinio lusto parinkimas ir pagrindinių komponentų suderinimas
HART sistemos aparatinės įrangos projektavimo esmė – suderintas HART lusto, DAC ir MCU parinkimas. HART lustas tiesiogiai lemia HART ryšio atitiktį ir patikimumą, DAC nustato analoginio išėjimo tikslumą ir stabilumą, o MCU atlieka protokolų stekų veikimą ir taikomosios programos logikos apdorojimą. Šiame skyriuje pateikiami masinės gamybos ir patikrinti parinkimo sprendimai, pagrįsti inžinerine praktika.
2.1 HART lustų palyginimas ir pasirinkimas
HART ryšio lustas yra pagrindinis sistemos komponentas, atsakingas už FSK signalų moduliavimą ir demoduliavimą. Žemiau esančioje lentelėje palyginami dabartiniai pagrindiniai ryšio lustų sprendimai, apimantys tris pagrindines kategorijas: aukštos klasės importuotus lustus, klasikinius importuotus lustus ir vietines alternatyvas:
3 lentelė. Išsami HART ryšio lustų palyginimo ir pasirinkimo lentelė
| Modelis | Gamintojas / pozicionavimas | Temperatūros diapazonas | Pagrindinės funkcijos | Taikomi scenarijai |
AD5700 AD5700-1 | ADI importavo aukščiausios klasės | -40°C ~ +125°C | Itin mažas energijos suvartojimas (<2 μA miego režimu), integruota ADC „Oscar“ grandinė, konfigūruojamas sąsajos lygis | Didelio tikslumo siųstuvai, aukščiausios klasės pramoniniai prietaisai ir pritaikymas atšiaurioje aplinkoje |
A5191 A5191HRT | Importuotas klasikinis modelis | -40°C ~ +85°C | Pramoninės klasės platus temperatūrų diapazonas, brandžios periferinės grandinės, gausi dokumentacija ir visavertė ekosistema. | Esamos įrangos atnaujinimas, pasenusių sprendimų perkėlimas ir bendrosios paskirties HART modulių naudojimas. |
| HT5700 | Mikrokibernetinis suderinamumas namuose | -40°C ~ +125°C | Suderinamas su AD5700 su kontaktų sujungimu, 30–50 % mažesnės išlaidos, vietinė techninė pagalba. | Vietiniai pakeitimo projektai, sąnaudoms jautrūs masiniai taikymai ir nepriklausomos kontrolės poreikis. |
| HT1200M | Mikrokiberinis vidaus reikalų supaprastintas | -40°C ~ +85°C | Monolitinis integruotas dizainas, minimalus periferinių komponentų skaičius (sumažintas 60% ir daugiau), stabilus ir patikimas, mažas korpusas | Pigus HART modulis, lengvai valdomas pavaldinys, erdvės ribotose srityse |
Pasirinkimo rekomendacija: vietiniams pakeitimams ir sąnaudoms jautriems paketiniams projektams „Microcyber HT5700“ (suderinama su AD5700 su „Pin-to-Pin“ jungtimi) ir „HT1200M“ (itin paprastos periferinės konstrukcijos) yra labai konkurencingos alternatyvos. Faktiniai bandymų rezultatai rodo, kad jų ryšio našumas yra tokio paties lygio, o sąnaudos gali būti sumažintos daugiau nei 50 %.
2.2 Pageidaujama pagalbinių įrenginių schema
Be ryšio mikroschemos, DAC ir MCU pasirinkimas taip pat turi įtakos bendram sistemos veikimui. Toliau pateikiami rekomenduojami pagalbiniai komponentai, kurie buvo patikrinti masinėje gamyboje:
4 lentelė: Optimali DAC mikroschemų schema
| DAC modelis | Gamintojai | Pagrindinės funkcijos | Taikomi scenarijai |
| AD5420 | PAVADINIMAS | 16 bitų tikslumas, HART signalo įpurškimo prievadas, 4–20 mA išvestis | HART siųstuvai yra pageidaujamas pasirinkimas didelio tikslumo taikymams. |
| AD5421 | PAVADINIMAS | 16 bitų tikslumas, suderinamas su HART, maitinamas kilpomis | kilpos maitinami lauko prietaisai |
| DAC8830 | IŠ | 16 bitų itin mažos energijos sąnaudos, vienas maitinimo šaltinis | Baterijomis maitinami belaidžiai HART įrenginiai |
5 lentelė: MCU pageidaujama schema
| Mikrokontrolerio modelis | Šerdis | Pagrindinės funkcijos | Taikomi scenarijai |
| STM32L0/L4 | ARM Cortex-M0+/M4 | Itin mažas energijos suvartojimas, gausus periferinių įrenginių pasirinkimas ir subrendusi ekosistema | Bendrosios paskirties HART įrenginiai, paketiniai projektai |
| ADuCM360 | ARM Cortex-M3 | 24 bitų ADC integracija, pramoninio lygio tikslumas, ADI ekosistema | Didelio tikslumo pramoniniai siųstuvai ir procesų valdymo prietaisai |
Tai yra pagrindinis šio „HART technologijų sprendimų baltosios knygos“ numerio turinys. Mes sistemingai išanalizavome pagrindinę HART ryšio logiką ir svarbiausius techninius aspektus – nuo protokolo kilmės ir fizinio sluoksnio principo iki įgyvendinimo lustų lygmenyje.
Toliau gilinsimės į aparatinės įrangos architektūrą ir įterptųjų protokolų steko įgyvendinimą, išsamiai aprašysime HART inžinerinį kelią nuo grandinės projektavimo ir signalo apdorojimo iki protokolų steko perkėlimo, iš tikrųjų pritaikydami techninius principus masinės gamybos aparatinės įrangos sprendimams.
