ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IV, брой 3, 2012

Протоколът HART в енергетиката

Всъвременните електроцентрали има хиляди датчици, контролно измерителни и изпълнителни прибори, чиято нормална работа гарантира безаварийната експлоатация на централата. Голяма част от датчиците и измерителните прибори използват токовият интерфейс от 4 до 20mА за подаване на информацията. Този интерфейс позволява работа на големи разстояния, шумозащитен е и осигурява общо взето добра точност.

При интерфейса 4-20mA обикновеното минималната стойност на величината отговаря на ток от 4mA, а максималната стойност - на ток от 20mA. Например, ако трябва да се измерват температури от -40°С до +120°С (общо 160°С) на 4mA може да отговарят - 40°С, а на 20mА ще отговарят +120°С. В този случай на всеки един милиампер от тока по интерфейса ще съответстват по 10°С или на всеки 1°С ще отговарят по 0.1mА. Ако обаче трябва да се измерва диапазон от 1600°С тогава на един милиампер ще се получат 100°С, което може да е проблем и да наложи използването на датчици с автоматично превключване на обхватите. В този случай датчикът трябва да комуникира и информация за обхвата, на който се намира, информация от калибрацията на всеки обхват и други данни, което не е възможно по обикновения аналогов интерфейс 4-20mA.

С появата на интелигентните датчици и изпълнителните механизми се появи и необходимостта те да комуникират с централните контролно управляващи системи на цеховете и предприятията. Тъй като окабеляването на множество датчици и изпълнителни механизми с допълнителни жични интерфейси е голям проблем и е скъпо, а и понякога е технически невъзможно бяха разработени методи и средства за използване на съществуващото окабеляване, както за предаване на ниско честотните аналогови сигнали от датчиците, така и за комуникация на служебни съобщения. Един от най-често използваните методи е честотното разделяне на сигналите от датчиците и на сигналите от новия интерфейс.

Необходимост от интелигентна комуникация
Инсталирането на голям брой обикновени датчици, използуващи интерфейса 4-20mА и други индустриални интерфейси допринесоха за значително подобряване на ефективността на промишлените и енергийните системи, което доведе до натрупване на много информация за реалните процеси в предприятията. Бяха тествани в практиката множество аналогови технологични приложения. Появи се необходимост от повишаване точността на измерване, да се помогне на операторите и на персонала от поддръжката в работата с огромното количество разнообразни датчици. На преден план излезе повишаването на точността на измерванията, въвеждане на процедури за самотестване и самокалибриране на датчиците и на цялата система, намаляване на разходите по поддръжка. Появи се необходимост и от автоматизирано и дистанционно превключване на обхватите на датчиците, за да се адаптират по-добре произвежданите сигнали към моментната стойност на измерваната величина.

Оказа се, че ако по някакви причини сигнал от датчик се фиксира поради повреда на някакво ниво в разрешения обхват това не се открива лесно по старите аналогови методи, особено ако датчикът не е дублиран или триплиран. За съжаление дублирането и триплирането на датчици и изпълнителни механизми не е възможно навсякъде. По-доброто решение е да се вгради в датчика интелигентна система показваща недвусмислено състоянието му. Силното развитие на микроелектрониката и на ембедед системите, и най-вече на микроконтролерите доведе до понижаването на цената им и даде възможност смарт интегрални схеми да се вграждат в почти всички датчици. Бяха произведени евтини температурни и други датчици с вградени процесори и с точност от 12 и повече бита.

Появи се проблемът за ефективна комуникация с новите датчици, но с максимално използване на старите инсталации. Всичко това наложи да се създадат протоколи, методи и средства за комуникация между новите смарт датчици и изпълнителни механизми от една страна и централните пултове за контрол управление или индикаторите табла от друга. Съвременните мрежи за комуникация в рамките на едно предприятия могат да се разделят на четири основни групи или нива: мрежа на ниво предприятия, управляваща мрежа, мрежа включваща устройствата и интерфейс за връзка на сензорите и изпълнителните механизми. Първата от тези мрежи е на най-високото ниво и поддържа визуализацията на процесите и управлението на ниво предприятие. Втората мрежа обикновено прави връзката между програмируеми логически контролери (PLC – Programmable Logic Controllers) и специализирани компютри. Третата мрежа обикновено прави връзката между датчици и изпълнителни механизми и локални управляващи устройства, а четвъртата условно наречена мрежа включва интерфейсите между сензорите и изпълнителните механизми и контролираните процеси. Протоколът HART обикновено се отнася за третия вид мрежи, който е най-ниско скоростен.

Протоколът HART
Протоколът HART е едно от популярните решение за комуникация на индустриално ниво, както в електроцентралите, така и на много места в промишлеността. Протоколът е разработен от фирмата Rosemount Inc. като решение за собствените системи, но става отворен стандарт през 1986 г. Протоколът е базиран физически на стария стандарт Bell 202, но доработен така, че да обслужва интелигентни устройства на фирмата главно с индустриални приложения. Протоколът и физическите интерфейси, които го реализират са от типа за автоматизация на процеси и може да намери приложения и извън индустрията, например в автоматизацията на сгради. Тъй като HART се използва за връзка между отделни устройства, той се нарича понякога и магистрала за устройства или интерфейс за устройства (device bus). Максималният брой на адресираните устройства в един контур на интерфейса зависи от физическата реализация и обикновено е под петнадесет.

Съкращението HART, произлиза от наименованието на английски език Highway Addressable Remote Transducer Protocol. Става дума за протокол, който може да се реализира в множество физически среди, както жично така и безжично. Физическата реализация може да включва и галванично изолиращи усилватели. Протоколът може да се използва и за датчици и за изпълнителни механизми.

HART е един успешен цифров протокол, създаден, за да облекчи внедряването на цифрови технологии в индустрията. Изследванията са показали, че тъй като сигналите от повечето индустриални датчици са много ниско честотни, то върху тях може да се наложат (модулират) по-високо честотни сигнали за комуникация между устройствата.

Протоколът HART има още няколко положителни страни, освен изброените по-горе. Това е отворен комуникационен протокол, който може да се реализира от всеки производител и да се използва от потребителите без заплащане. Документацията, консултантската помощ и поддръжката могат да изискват определени разходи. Техническата помощ се осигурява от HART Communication Foundation (HCF). Фондацията HCF е поела отговорността да координира дейностите по реализацията и усъвършенстването на този протокол. Тя извършва регистрация и описание на всички устройства използващи стандарта. Част от услугите на корпорацията са платени независимо, че протоколът е обявен за отворен.

Може да се каже, че интерфейсът използващ протокола HART има две честотни ленти. Първата е за сигналите от датчиците, които обикновено заемат честотна лента до около 20Hz, и то така че сигналите с мрежова честота от 50/60Hz да бъдат силно подтиснати. Основният източник на смущение обикновено е мрежовата честота и нейните хармоници. Понякога върху тях има и други смущаващи сигнали генерирани от свързаните към мрежата устройства.

Втората честотна лента е от около 500Hz до около 5KHz, където се намират комуникационните сигнали на протокола HART и техните основни хармоници. Тази честотна лента не се използва от HART и не е желателно да се използва, защото там се намират най-силните хармоници на мрежовата честота 50/60Hz. Въпреки, че мрежовото напрежение е синусоидално, то формата му съвсем не е идеална и освен това се променя във времето, което води, както до наличието на хармоници, така и на продукти с по-ниска честота от основната. Освен това в производствени условия има непрекъснато включване, изключване и регулиране на товари, което създава смущения по мрежата. Въпреки, че се правят усилия за потискане на нежеланите продукти от комутацията на мястото на възникването им, това не може да стане напълно и те се разпространяват жично и безжично.

Протоколът HART използва само слоеве 1, 2 и 7 от модела OSI (Open System Interconnection model). Слой 1 е физическият интерфейс, при който HART използва честотна манипулация (FSK-Frequency Shift Keying). Слой 2 определя формата на съобщенията на HART. Слой 7 включва командите на протокола. Командите са разделени на 3 групи: универсални команди (Universal Commands), команди от общ характер (Common-Practice Command) и команди специфични за устройствата (Instrument-Specific Commands). Универсалните команди се разпознават задължително от всички устройства. Командите от втория тип се разпознават от повечето, но не задължително от всички устройства. Командите от третия тип са специфични за всеки тип устройство.