HART (Highway Addressable Remote Transducer) je rozšířeným a průmyslem akceptovaným standardním protokolem, umožňujícím oboustrannou číslicovou komunikaci se zařízeními propojenými dvouvodičovou proudovou smyčkou s analogovým přenosem signálů proudovými úrovněmi 4 až 20 mA.

Podstatné je, že po původním vedení je možné k řídícímu centru současně přenášet jak analogový údaj o hodnotě měřené veličiny ve formě proudu v rozmezí 4 až 20 mA, tak i číslicovou informaci např. o stávající konfiguraci zařízení, identifikační údaje o senzoru (“elektronickou jmenovku”) kalibrační a diagnostické údaje aj. Dále je možný přenos naměřených údajů jak v analogové tak i číslicové formě a vyloučit tak chyby vzniklé analogovo - číslicovým a číslicově - analogovým převodem proudového signálu 4 až 20 mA. Pokud by zpoždění vzniklé číslicovým přenosem naměřených dat způsobilo problémy při automatické regulaci procesu, lze k řízení využít analogového tvaru signálu. Navíc spojovacího vedení k jednomu zařízení (senzoru) lze využít pro přenos více měřených nebo odvozených veličin. Např. při komunikaci protokolem HART se senzorem průtoku lze v jedné zprávě přenášet údaje o rychlosti proudění, teplotě a hustotě média, případně o celkovém průtočném množství k okamžiku vysílání zprávy. Takto se podstatně rozšiřují možnosti zařízení a mohou snadno odpovídat vlastnostem očekávaným např. od inteligentních senzorů.

Z ekonomického hlediska je protokol velmi atraktivní, protože se s minimálními počátečními investicemi a prakticky bez rizika (v případě problémů se lze snadno vrátit k původnímu analogovému přenosu proudovou smyčkou) dosahuje nové kvality. Zavedením protolu komunikace a rozhraní HART může uživatel ještě během provozu stávajícího analogového senzoru vyzkoušet jeho chování jako inteligentního senzoru. Při eventuálním pozdějším přechodu na číslicový systém řízení procesu budou již senzory s komunikací HART pro takovýto systém plně připraveny. Navíc, jak uvedeno v [6], je protokol HART kompatibilní s protokolem Profibus a v případě přijetí normy Fieldbus může být upraven tak, aby ji vyhovoval. Příznivá je také skutečnost, že užívání protokolu HART je do značné míry osvobozeno od autorských a licenčních závazků. Výšeuvedené přednosti prokolu způsobily, že po jeho úspěšném uvedení do praxe společností Rosemount byl akceptován předními světovými výrobci, takže v současné době se počet zařízení využívajících protokol HART odhaduje na 2 milióny a stále roste.

Přenos číslicové informace po vedení proudové smyčky se realizuje superpozicí (např. transformátorovou vazbou) frekvenčně klíčovaných signálů (FSK - Frequency Shift Keying) na původní analogový proudový signál 4 až 20 mA. Parametry frekvenčního klíčování jsou dány standardem Bell 202 - logické 1 (H) odpovídá úsek signál o kmitočtu 1200 Hz, logické 0 (L) pak signál o kmitočtu 2200 Hz. Amplituda superponovaného proudu je volena dostatečně nízká - 0,5 mA. Proces FSK probíhá bez skoků fáze takže za každé situace je střední hodnota superponovaného proudu nulová (obr.1). Střední hodnota analogového signálu je tedy nezávislá na přenosu digitální informace. Zařízení master vysílá signály ve formě napěťových úrovní, zatímco zprávy ze zařízení slave se vysílají proudovými signály. Proud smyčky se snadno převede na napěťovou úroveň takže přijímací obvody na straně master i slave pracují v napěťovém režimu.

obr.1 Kódování logických úrovní ( FSK Bell 202 ) obr.2 Poloha spektra signálu HART

v telefonním hlasovém kanálu

Úrovně komunikačních signálů HART jsou uvedeny v tabulce tab.1. Poměrně velká tolerance napěťových úrovní přijímačů (120 mV až 2,0 V) dovoluje správný příjem i při značném útlumu vedení. Současně úrovně signálů, které musí být přijímačem ignorovány (0 až 80 mV) jsou voleny tak, aby se zmenšila pravděpodobnost účinků rušivých signálů (průniky vnějších rušivých signálů a přeslechy ze sousedních paralelně uložených přívodů, případně důsledky nedokonalého uzemnění či vazby při používání společných napájecích zdrojů).

Tab.1 Mezivrcholové hodnoty komunikačních signálů HART

K potlačení případných rušivých účinků číslicových komunikačních signálu na analogově vyhodnocovanou měřenou veličinu je použito dolnofrekvenční propusti. Jednoduchý integrační článek s frekvencí lomu 10 Hz utlumí střídavou složku způsobenou číslicovými signály až na 0,01 % z rozsahu analogového signálu. Obecně je požadováno, aby spektrální složky vysílaného analogového signálu, ležící nad 25 Hz byly potlačovány se strmostí 40 dB/dekádu. Funkce přijímacího zařízení v protokolu HART nesmí být ovlivněno účinky vyvolanými průtokem pravoúhlého proudového signálu o amplitudě 16 mA.

Přenos číslicových informací je organizován systémem master-slave, tj. zařízení slave komunikuje pouze je-li k tomu vyzváno masterem. Zařízení ve funkci master obdrží nejméně dvakrát za sekundu informaci o stavu zařízení typu slave, tj. typická doba odezvy je 500 ms. HART umožňuje existenci dvou masterů - primárního a sekundárního. Proto je možné v průběhu činnosti primárního mastera současně komunikovat se zařízeními také tzv. ručním komunikátorem, aniž by došlo k vzájemnému rušivému ovlivnění. Ruční terminál - komunikátor (Handheld Communicator) je vlastně pomocné řídící centrum hojně užíváné při seřizování a monitorování komunikace systému. Alternativně lze jako sekundární řídící zařízení použít počítač typu PC, např. laptop.

Komunikace s masterem se děje v konfiguraci hvězdicové (master se všemi zařízeními po zvláštních trasách) nebo sběrnicové (zařízení slave identifikována přiřazením adres jsou připojena paralelně v různých místech na společnou - sběrnici, tj. dva vodiče proudové smyčky ).

V hvězdicovém uspořádání lze zvýšit rychlost přenosu odezvy ze zařízení zavedením režimu “burst” kdy shluk dat je jako zpráva k masterovi je vysílána typicky 3 až 4 - krát za sekundu. Režim burst je obecně používán pouze v případě spolupráce s jediným zařízením slave. Po každém režimu burst je krátka pausa, aby mohl případně master zvláštním příkazem tento režim ukončit. Očekává se že pokroky v koncepci telekomunikačních modemů (současné vyslání několika bitů) umožní přenos až 14 zpráv za sekundu. Ve sběrnicovém uspořádání může probíhat pouze číslicová komunikace a smyčkový proud je udržován na minimální hodnotě 4 mA (napájení senzorů a měřicích obvodů). Každé zařízení slave je postupně cyklicky dotazováno masterem. Pomocí oddělovacího zařízení, popsaného v [5] je možné připojit až 10.000 měřicích zařízení na jedinou číslicovou sběrnici. Analogové signály jsou sice vedeny odděleně, získáme však možnost řídit sběr dat a konfiguraci členů z jediného centra.

Celá řada výrobců nabízí modemy FSK pracující ve standardu Bell 202 ve formě integrovaných obvodů. Např. známý výrobce elektronických obvodů Analog Devices nabízí pro konstrukci inteligentních senzorů převodník Č/A AD422 s proudovým výstupem 4 - 20 mA, komunikující s mikrokontrolérem v protokolu HART.

Signály protokolu HART je snadno možné přenášet ve spektru telefonního hlasového signálu, jak plyne z jejich spektrálního rozložení na obr.2. Vznikají tím nové možnosti dálkového přenosu dat ze senzorů (např.monitorování plynovodů) v protokolu HART veřejnou telefonní sítí. Ostatní protokoly, např. Fieldbus a další používají pravoúhlých signálů se širokým spektrem, takže jejich přenos po telefonní lince je prakticky vyloučen. Této přednosti lze bez problémů využít v USA, kde je povoleno přenášet signály ve standardu Bell 202 veřejnou telefonní sítí. V evropských zemích se pro přenos vyžaduje konverze signálu Bell 202 na formu RS -232-C a pak na standard CCIT V.23. Bližší podrobnosti o dálkovém monitorování v protokolu HART jsou uvedeny v dokumentu HCF [8].

Dovolená délka vedení závisí na uspořádání vodičů. Vedení ve tvaru zkrouceného individuálního dvouvodiče může být pochopitelně delší (až 3000 m) než je tomu v případě, kdy páry zkroucených vodičů jsou umístěny ve společném stíněném plášti (max.1500 m). Pro malé vzdálenosti lze použít také nestíněných přívodů. Vedení může být opatřeno elektronickými ochranami a speciálními obvody rozhraní pro práci na jiskrově nebezpečných místech.

Napájecí zdroj NZ, vysílač VYS a zatěžovací odpor Z mohou být zapojeny v libovolném sledu a kterýkoliv uzel obvodu (obr.3a) může být uzemněn. Ovládací terminál nebo komunikační obvod řídícího zařízení (master) nesmí být zapojen paralelně k napájecímu zdroji NZ. Obvykle se zapojuje mezi uzly A,B nebo B,C. Protokol HART připouští hodnoty zatěžovacího odporu smyčky Z v rozmezí 230 až 1100 W. Komunikační jednotka (z výjimkou vlastních měřicích obvodů senzorů) musí být stejnosměrně oddělena kapacitorem o hodnotě minimálně 6,8 mF.

V případě, že senzor a smyčka jsou napájeny z vlastního místního zdroje, komunikační terminál může být zřejmě připojen do libovolného místa vedení.( např. místa C, B na obr.3 c).

Při sběrnicovém uspořádání (obr.3 b) každé zařízení typu slave pouze odpovídá na zprávy vysílané na jeho adresu. Přiřazení nenulové adresy nastaví proud ve smyčce na pevnou minimální hodnotu 4 mA. Tento proud slouží pouze k napájení měřicích obvodů zařízení, celkový příkon poklesne. Jak již bylo uvedeno, přenos naměřených hodnot (tzv. primárních proměnných) a dalších údajů se děje pouze číslicovým signálem.

Při sběrnicovém uspořádání je možné kombinovat zařízení napájené z místního zdroje (horní vysílače) se zařízeními napájenými ze smyčky (vysílače ve spodní části obrázku). Zapojení vyžaduje třetí vodič, zpravidla se však používá dvou kroucených párů vodičů spojených v místě zátěže Z. Komunikační zařízení může být zapojeno mezi uzly A,B nebo B,C. Šipkami je vyznačen směr proudu v obou částech zapojení.

Všechna zařízení kompatibilní s protokolem HART se musí v režimu vysílání chovat jako zdroj s vnitřním odporem v definovaných mezích (stovky W). Zatěžovací impedance v režimu příjmu je rovněž zdola omezena (např. 100 kW a 5.000 pF). Podrobněji požadavky na impedance zařízení spolupracujících v protokolu HART jsou dány v Tab.2

Spolehlivý příjem signálů HART vyžaduje aby signál ze zařízení slave nebyl utlumen více než o 3 dB.

Signály FSK o frekvencích 2200 a 1200 Hz nesmí být vlivem impedance vedení vzájemně posunuty o více než 50 ms. Jinak dojde ke zkreslení složitého průběhu FSK a selhání obvodů pro oddělení obou kmitočtů.

Souhrnně vzato minimální hodnota hraniční frekvence vedení musí být o něco vyšší než frekvence 2200 Hz, užita pro kódování logické 0. Náhradní obvod vedení spolu s připojenými zařízeními nesmí představovat větší časovou konstantu (součin odporu a kapacity ) než 65 ms.

Dále je nutné vyloučit rušení zemními proudy. Proto signálová smyčka a stínění kabelu smí být spojeny se zemí pouze v jediném bodě, zpravidla poblíž primárního mastera. Stínění kabelů nesmí být spojeno s kryty zařízení pokud nejsou izolovány od země.

Zvlnění zdroje může působit rušivě na přenos signálů HART. Požaduje se, aby zvlnění v rozsahu kmitočtů 47 až 125 Hz nepřesáhlo mezivrcholovou hodnotu 200 mV. Napájecí zdroj se má chovat vůči signálům HART jako nízkoimpedanční obvod o hodnotě menší než 10 W v pásmu kmitočtů 500 Hz až 10 kHz.

Tab.2 Rozpětí pracovních impedancí zařízení s protokolem HART

Jak již bylo uvedeno, za operace se zprávou zodpovídá master. V případě, že slave nereaguje na příkaz v definovaném čase, master opakuje zprávu. Jestliže ani po několika pokusech slave neodpovídá, master přeruší přenos. Po úspěšném ukončení přenosu zprávy master čeká jistou dobu před vysláním dalšího příkazu, aby se umožnil případný zásah druhého mastera.

Zprávy jsou kódovány jako posloupnost 8-mi bitových bytů převedených do sériového tvaru obvody HART. Obdobně jako při přenosu RS-232 a dalších asynchronních protokolů start bit, parity bit a stop bit jsou přidávány ke každému bytu. HART používá liché parity. Jeden byte je tedy přenášen jako následující sekvence logických (Tab.3):

Tab. 3 Kódování 1 bytu zprávy v protokolu HART

Přenos v protokolu HART je asynchronní, vysílání znaků může být přerušeno mrtvými časy v nichž je na vedení logická 1.

Jistou nevýhodou je, že sériový port na PC kompatibilních s IBM nemůže být konfigurován jednoduchým DOS příkazem MODE do režimu 8 bitů dat + parita. Konfigurace není možná ani příkazem OPEN COM v jazyce IBM BASIC. Avšak mnohé další varianty BASIC-u konfiguraci sériového portu umožňují.

Tab. 4 Struktura zprávy v protokolu HART

Struktura zprávy je v protokolu HART je uvedena v Tab.4 a vychází z linkové vrstvy referenčního modelu OSI (Open System Interconnection) zpracovaného známou mezinárodní organizací ISO [2].

Provoz v protokolu HART je semiduplexní, po skončení každé zprávy je prodleva, uvolňující možnost komunikace jiné stanici.

Starší typy zařízení s protokoly HART (až do revize č.4) používají tzv. krátký rámec formátu zprávy. V tomto formátu je adresa slave buď 0 pro hvězdicový styk s použitím proudového signál 4 - 20 mA, nebo 1 až 15 pro sběrnicový systém spojení slave-master. Po revizi 5 protokolu HART je zaveden formát dlouhého rámce.V tomto formátu je adresa slave číslo o 38 bitech, odvozené z kódu výrobce, kódu pro typ zařízení a identifikačního kódu zařízení. Výhody dlouhého rámce jsou zřejmé: ochrana proti přeslechům příkazů určených pro jiná zařízení, minimalizace vlivu vnějších rušivých signálů a větší adresovací prostor.

Preambule obsahuje 3 nebo více znaků FF a slouží pro synchronizaci frekvenčního diskriminátoru přijímacího modemu.

Přijímající zařízení považuje za START zprávy první znak po příjmu nejméně dvou kombinací FF.

Znak START má různé tvary definované tabulkou Tab. 5

Tab. 5. K výkladu znaku START

Adresa obsahuje jednobytovou nebo 5-ti bytovou adresu právě komunikujících zařízení master a slave. Bit MSB adresového pole odlišuje primárního (MSB=1) a sekundárního mastera (nejčastěji ruční komunikátor)

Příkaz obsahuje čísla od 0 do FF representující příkazy HART. Kód 254 je určeno pro expanzi: je-li následován dalším bytem, může být počet příkazů rozšířen na více než 256. Ve zprávě zařízení slave je přijatý příkaz zopakován.

Počet bytů (ve zprávě) obsahuje také celé číslo, indikující počet bytů v částech STATUS a DATA, kontrolní součet není zahrnut. Slouží přijímajícímu zařízení ke kontrole úplnosti zprávy.

STATUS se vyskytuje pouze v odpovědi zařízení slave a je tvořen dvěma byty: první indikuje případnou chybu komunikace, druhý stav zařízení (např. zařízení obsazeno, příkaz nelze interpretovat)

Kontrolní součet obsahuje výsledek funkce EXCLUSIVE OR ze všech předcházejících bytů zprávy počínaje znakem START (tzv.“podélná parita”). Kromě této kontroly integrity zprávy se zjišťuje parita každých 8-mi bitů v každém bytu zprávy (tzv.“vertikální parita”). Tento postup zaručuje detekci i ojedinělého výskytu až 3 chybných bitů.

Příkazy HART (HART Command Set) řídí zápis a čtení přídavných informací z řídícího centra do ovládaných zařízení. Množina příkazů HCS je rozdělena do tří skupin:

A. Univerzální příkazy (Universal Commands), které musí být interpretovatelné všemi zařízeními kompatibilními s protokolem HART. Slouží k získání základních informací o zařízení (identifikační údaje) jmenovitě: druh, typ, výrobce, výrobní číslo, rozsah a provedení zařízení, měřené veličiny, datum, stav zařízení

B. Provozní příkazy (Common Practice Commands), k výkonu základních funkcí jako:

čtení proměnných, kalibrace (nula a maximum), inicializace autotestů, hodnoty časových konstant a další. Nepožaduje se, aby všechny provozní příkazy byly interpretovatelné všemi zařízeními kompatibilními s protokolem HART.

C. Specifické příkazy (Device Specific Commands) slouží k výkonu operací, které se mohou vyskytnout jako specifické pouze pro určitý druh nebo typ zařízení. Jde o příkazy jako:

začátek a konec čítání, vynulování obsahu čítače, výběr primární proměnné, vybavení řídícího algoritmu PID, ladění řídící smyčky, speciální kalibrační algoritmy a pod.

V jedné zprávě protokolu HART mohou být zahrnuty hodnoty až 4 proměnných a každé zařízení může používat až 256 proměnných. Každá zpráva obsahuje informaci o stavu zařízení a součástí operace přenosu jsou procedury kontroly možného výskytu chyb ve zprávě.

Krokem vpřed v programovém vybavení protokolu HART je zavedení programovacího jazyka vyšší úrovně - DDL (Device Description Language), s funkcí obdobnou jak ji známe z různých budičů - driverů periferních zařízení např. pro osobní počítače. Zařízení komunikující protokolem HART má obvykle kromě povinných univerzálních vlastností (např. možnost čtení naměřené hodnoty), také řadu specifických operací (např. u senzoru průtoku možnost výpočtu celkového protočeného množství). Avšak ruční komunikátor se základní výbavou je schopen pracovat pouze s universálními příkazy. Proto je nutné pro zabezpečení jeho činnosti i pro operace specifické pro dané zařízení doplnit jeho programové vybavení příslušnými procedurami. Při rostoucím počtu nových zařízení HART je revize programů ručních komunikátorů obtížná. Řešení spočívá v popisu parametrů a funkcí každého zařízení s protokolem HART pomocí standardního jazyka DDL. Soubor obsahující takovýto popis je dodáván výrobcem zařízení. Ruční komunikátory s programovým vybavením v jazyce DDL se pak stávají universálně použitelnými, do jejich paměti o kapacitě 4 MB, lze uložit všech 100 doposud existujících souborů DD.

Nezisková organizace HART Communication Foundation [4] vede centrální knihovnu souborů DD všech registrovaných zařízení HART. Jazyk DDL je podporován všemi členy této organizace, jejichž počet (výrobců) je v současné době 86. Mezi členy jsou světově známí výrobci elektronických zařízení: především zakladatel HART Foundation společnost Rosemount, dále Allen Bradley, Analog Devices, Fuji, Honeywell, Hartmann & Braun, Siemens, Saab, Solatron a další.

K pohodlné komunikaci se sítí HART prostřednictvím PC je k dispozici programové vybavení H-View [7] pracující pod Windows. Obsahuje řadu nástrojů pro monitorování dějů v reálném čase, rekonfiguraci, kalibraci a diagnostiku senzorů nebo akčních členů zapojených v systému. Jinou možností je Asset Manager (Fisher-Rosemount), určené pro práci v prostředí Windows 95 a NT a vycházející z koncepce jazyka DDL.

Komunikace senzorů a akčních členů v protokolu HART vytváří základ pro zásadní zlepšení jejich metrologických i provozních vlastností uplatněním předností inteligentních měřicích postupů. Náklady na zavedení protokolu jsou přitom minimální, jelikož nevyžadují podstatnějších zásahů do existujících signálových tras. Navíc je v případě neúspěchu je snadno možný návrat k původní analogové verzi přenosu osvědčenou proudovou smyčkou. Parametry přenosu dat protokolem HART (zejména rychlost) bezpochyby nedosahují úrovní typických pro jiné protokoly, realizovatelné s podstatně vyššími náklady. HART však představuje v současné době i blízké budoucnosti optimální řešení s perspektivou snadného přechodu na vyšší a nákladnější sběrnicové protokoly, bude-li to náročnost měřicího úkolu vyžadovat.

1. Bell System Technical Reference: PUB 41212 “Data Sets 202S and 202T Interface Specification”, July 1976
2. DIN ISO 7498: Informationsverarbeitung, Kommunikation Offener Systeme, Basis - Referenzmodell, Beuth Verlag, Berlin
3. HART Smart Communication Protocol Specification, Rev.5.1.4, January 1991
4. HART Communication Foundation, 9390 Research Blvd., Suite II-250, Austin, Texas 78759, tel.(512) 794-0369, Fax: (512) 794-8893
5. Orrison A. G.: Taking full advantage of smart transmmiter technology now. Control Engineering, 1995, č. 1, s. 73-76
6. Johnson D.: Pressure sensing advances: Are they in your process’ future? Control Engineering . 1995, č. 4, s. 67-73.
7. KDG Mobrey, 190/196 Bath Road, Slough, SL1 4DN, UK
8. Remote Monitoring Using the HART Protocol. Document HART Communication Foundation Number: HCF_LIT-24

Prof. Ing. Stanislav Ďaďo, DrSc.