Введение
Приборы с HART-протоколом широко используются для передачи данных поверх стандартного сигнала 4–20 мА. Но многие инженеры КИПиА сталкивались с проблемой: если попытаться подключить несколько HART-датчиков параллельно в один аналоговый контур, начинаются загадочные сбои. Аналоговый сигнал «прыгает» или становится нестабильным, цифровые данные не читаются, в линии появляется «шум». Разберёмся, почему так происходит и как правильно подключать несколько HART-устройств одновременно.
Конфликт при параллельном подключении HART-датчиков
Стандартный аналоговый контур 4–20 мА рассчитан на один датчик (или преобразователь). Если в эту же петлю включить второй такой же прибор, они окажутся как бы «параллельно» друг другу, и логика токовой петли нарушится. Каждый из датчиков будет пытаться устанавливать свой ток, и в итоге ни один не сможет работать корректно – получаются конфликт и искажение сигнала.
Дополнительная проблема – цифровой конфликт протокола HART. В обычном (одноточечном) режиме каждый полевой прибор имеет адрес 0 и воспринимает себя единственным ведомым на линии. Если на одной линии вдруг оказываются два прибора с адресом 0, мастер-устройство (контроллер или коммуникатор) будет обращаться к адресу 0, и оба устройства начнут одновременно отвечать. Протокол HART рассчитан на то, что у каждого устройства уникальный адрес, и только прибор с совпадающим адресом откликается на запрос. Поэтому два прибора с одинаковым адресом в одной сети вызывают коллизии сигналов: ответы накладываются друг на друга, превращаясь в «цифровой шум». Таким образом, при параллельном подключении нескольких HART-приборов в стандартном режиме возникают сразу два конфликта – по аналоговому токовому контуру и по цифровому каналу.
Режимы HART: точка-точка или многоточечный
Разработчики HART-протокола предусмотрели особый режим для подключения нескольких устройств – Multidrop (многоточечный режим или режим моноканала).
В обычном же режиме Point-to-Point («точка-точка») по умолчанию используется только один прибор на одной линии, и он передаёт основной измеренный параметр током 4–20 мА. В режиме «точка-точка» каждое устройство должно иметь адрес 0. Этот режим не предполагает наличия других устройств в контуре.
Режим «точка – точка»
В многоточечном режиме всё иначе: аналоговая компонента сигнала не используется для передачи измерений, а служит лишь питанием для приборов. Каждый датчик фиксирует свой выходной ток на уровне 4 мА.
Многоточечный режим
Все обмены с приборами идут только по цифровому HART. На одной паре проводов можно параллельно подключить несколько (теоретически до 15) устройств, при этом каждому из них присваивается уникальный адрес от 1 до 15 вместо 0. Мастер-устройство опрашивает их по очереди, указывая адрес в каждой команде, и получает ответ только от нужного прибора. Таким образом устраняется ситуация, когда два устройства говорят одновременно.
Надо иметь в виду, что в режиме моноканала аналоговый сигнал 4–20 мА отключается (ток фиксируется на 4 мА) и больше не несёт значения измеряемого параметра. Поэтому в режиме моноканала нельзя напрямую читать 4–20 мА для контроля процесса – всю информацию нужно получать по цифровому каналу.
Типичные ошибки при подключении нескольких HART-приборов
На практике распространены несколько ошибок, приводящих к описанным конфликтам:
Параллельное подключение в обычной 4–20 мА петле.
Иногда пытаются просто завести два HART-датчика на один вход АСУТП, надеясь, что оба будут работать. Как мы рассмотрели, это методически неверно – два источника тока в одной цепи мешают друг другу. В результате аналоговый сигнал может «зависнуть» на нижнем уровне или хаотично меняться, а цифровой HART-сигнал вовсе не будет читаться из-за коллизий. Такое подключение однозначно неправильное.
Неправильная адресация устройств.
Даже при организации сети HART некоторые забывают изменить адреса с 0 на уникальные значения. Все приборы остаются с адресом 0, и мастер не может общаться отдельно с каждым: они будут либо одновременно откликаться, либо один «заглушит» другой. Это приведёт к тому, что данные будут либо перепутываться, либо вообще не удастся их получить. Всегда нужно назначать разные адреса (1, 2, 3, … 15) перед объединением приборов в сеть.
Проблемы с заземлением и экранированием.
HART-сигнал – это относительно небольшая переменная составляющая (~0,5 мА амплитудой на частоте ~1200/2200 Гц). Если линия неэкранирована, проложена рядом с силовым кабелем или в контуре имеются «грязные» земли (некорректное заземление оборудования), в проводниках наводятся помехи сравнимого уровня. Паразитные токи через землю или экран могут искажать как аналоговый ток, так и цифровую модуляцию. В итоге мастер видит ошибки связи, «шум» вместо данных. Рекомендуется использовать витую пару и экранированный кабель, правильно заземлять мастер-устройство и полевые приборы – это отводит сторонние сигналы в землю и уменьшает уровень помех.
Отсутствие необходимого сопротивления нагрузки.
Для HART-связи требуется минимальная нагрузка примерно 230–250 Ом в петле, чтобы модулированный сигнал воспринимался приемником. При этом надо учитывать входные сопротивления всех устройств в HART-цепи. Если получится слишком низкое суммарное сопротивление, то HART-сигнал зашунтируется и мастер-устройство не сможет его принять.
Все эти ошибки сводятся к одному: попытка подключить несколько HART-приборов как обычные аналоговые, без учёта особенностей протокола. Если требуется опрос нескольких HART-датчиков – либо переводите их в режим моноканала, либо применяйте специальное оборудование (HART-мультиплексоры), о чём далее.
Ограничения и проблемы режима моноканала
Казалось бы, режим моноканала решает задачу – можно включить до 15-ти устройств на одну шину. Однако на практике у него есть свои ограничения:
Скорость опроса. HART – достаточно медленный протокол (скорость передачи всего ~1200 бит/с). При последовательном опросе нескольких приборов суммарное время обновления увеличивается. На получение данных от одного датчика уходит порядка нескольких сотен миллисекунд и более, а если их 5–10 штук, обход всего опросного цикла займёт несколько секунд. В реальном времени это может быть неприемлемо для задач регулирования. Поэтому многоточечный режим годится скорее для мониторинга медленно меняющихся величин (температура, давление в резервуаре и т.п.), но не подходит для быстрых контуров управления (расход, уровень в бурной динамике и т.д.).
Ограничения количества устройств.
Хотя протокол допускает 15 узлов без репитеров, на практике редко подключают больше 5–8 приборов на ветку. Ограничения возникают из-за нагрузки на источник питания (каждый прибор потребляет 4 мА, итого 10 приборов – уже 40 мА) и из-за ёмкости линии – слишком длинная линия с множеством трансмиттеров может искажать сигнал. Например, некоторые промышленные контроллеры ограничивают поддерживаемое число устройств в режиме моноканала до 5-ти на канал. Большие сети требуют тщательного подхода – возможно, установки повторителей, специальных топологий и т.д. (что сложно и мало применяется).
Сложность конфигурации и диагностики.
При многоточечном подключении инженеру нужно вручную назначать адреса каждому прибору (следить, чтобы не дублировались), настраивать мастер-устройство на опрос всех этих адресов, обрабатывать ответы. В случае неисправности какого-то прибора или ослабления сигнала найти виновника сложнее, потому что все висят на одном кабеле. Также становится труднее использовать переносные коммуникаторы – подключившись к произвольной точке сети, нужно суметь «достучаться» до конкретного датчика с известным адресом. В общем, необходим более квалифицированный подход к пусконаладке и обслуживанию.
Таким образом, хотя многоточечный режим теоретически позволяет подключить несколько HART-устройств к одной паре проводов, на практике это далеко не универсальное решение.
Решение проблемы - HART-мультиплексор
HART-мультиплексор – это специализированное устройство, позволяющее опрашивать несколько HART-приборов одновременно и без конфликта с основной аналоговой схемой. Концептуально он действует как многоканальный HART-мастер, подключённый параллельно к каждому 4–20 мА контуру, и собирающий цифровые данные, не вмешиваясь в работу этих контуров.
Как это работает? Мультиплексор имеет несколько изолированных входов, каждый из которых подключается параллельно своему HART-датчику (обычно – на клеммы прибора или параллельно нагрузочному резистору 250 Ом). Вход мультиплексора обладает очень высоким импедансом (например, >10 МОм по постоянному току), поэтому практически не вносит дополнительной нагрузки в цепь и не искажает аналоговый ток 4–20 мА. Одновременно присутствие гальванической развязки между каналами означает, что каждый канал “слушает” свой датчик независимо – никакого влияния друг на друга даже при разных уровнях земли или различном оборудовании в петлях. Мультиплексор по очереди опрашивает подключённые HART-устройства (циклический опрос каналов) – но делает это очень быстро и прозрачно для внешнего мира. С точки зрения основного контроллера и самого прибора, ничего не изменилось: сигнал 4–20 мА идёт как и шел, прибор видит HART-запросы от внешнего мастера (мультиплексора) и отвечает ему. Конфликта нет, поскольку каждый прибор остаётся в адресе 0 (одноточечный режим) и отвечает только на запросы, адресованные именно ему. А мультиплексор сам позаботится о том, чтобы опрашивать датчики по очереди и собирать информацию.
Пример - HART-мультиплексор КР-HART-MUX8.М3 от СКБ «Промавтоматика»
Рассмотрим конкретное промышленное решение – 8-канальный HART-мультиплексор КР-HART-MUX8.М3 разработки СКБ «Промавтоматика» (далее MUX8). Это устройство как раз создано для одновременного опроса до 8-ми полевых HART-датчиков без нарушения их аналоговых выходов. Основные характеристики: 8 изолированных каналов HART, порты связи USB, RS-232, два RS-485 и поддержка протокола Modbus RTU. Последнее особенно удобно – MUX8 сам собирает информацию с HART-приборов и предоставляет её в виде регистров Modbus, доступных любому ПЛК или SCADA-системе.
Мультиплексор MUX8 подключается параллельно к датчикам (один датчик на канал) аналогично описанному выше. Гальваническая развязка каждого канала полностью исключает взаимное влияние контуров друг на друга. MUX8 опрашивает 8 устройств циклически и обновляет их значения во внутренней памяти. Важный момент – сохранена полная работоспособность аналоговых цепей 4–20 мА у всех датчиков. Они по-прежнему могут идти на существующие входы контроллеров, и MUX8 не будет этому мешать.
Для интеграции MUX8 в систему автоматизации предусмотрены различные интерфейсы. Например, по RS-485 можно связать от 1-го до 32-х MUX8 с верхним уровнем (контроллером АСУТП, SCADA) и опрашивать его как обычное Modbus-устройство с групповыми регистрами данных. Наличие в MUX8 двух портов RS-485 позволяет организовать «горячее резервирование» в системе. Одновременно можно использовать порт USB для локального подключения (например, ноутбука для настройки). MUX8 может работать одновременно в двух режимах: режиме HART-MODBUS и режиме многоканального HART-модема. В режиме HART-модема MUX8 обеспечивает полный доступ к настройкам HART-приборов при помощи стандартного ПО типа AMS Suite, PACTware и др. В MUX8 реализован удобный шинный соединитель TBUS на DIN-рейке: модули MUX8 могут устанавливаться рядом и соединяться шиной питания и RS-485 без дополнительной разводки.
Известные альтернативы и их особенности
Кроме рассмотренного MUX8, на рынке существуют и другие HART-мультиплексоры. Можно отметить: Phoenix Contact MACX MCR-S-MUX, Pepperl+Fuchs KFD2-HMM-16 (и сопутствующая система HIS), а также отечественный «Метран-670» (разработки НПП «Метран»). Все они выполняют схожую функцию – объединяют множество HART-полюсов к одному мастер-интерфейсу. Однако большинство традиционных мультиплексоров имеют важное ограничение: отсутствие прямого вывода данных в стандартизированный протокол типа Modbus. Как правило, такие устройства представляют собой многоканальный HART-модем, а не самостоятельный контроллер.
Кроме того, некоторые решения требуют использования модулей расширения. Так, система Pepperl+Fuchs состоит из главного модуля KFD2-HMM-16 и дополнительных подчинённых модулей на 16 каналов каждый – развернуть её экономически оправдано только на большое число устройств (до 256), а для десятка датчиков это избыточно. У Metran-670 выходные интерфейсы – RS-485/RS-232, но работают они в режиме, ориентированном на связь с ПК через программу «Метран HART-Master». В общем, при выборе альтернатив важно учесть: будет ли мультиплексор напрямую передавать нужные вам данные в ПЛК/SCADA, или потребуется дополнительный программный уровень для доступа к приборам.
Вывод
Подключение нескольких HART-датчиков – нетривиальная задача, если не знать тонкостей. Зачастую конфликты возникают из-за того, что аналоговая токовая петля и HART-протокол устроены для единственного устройства. Режим моноканала позволяет объединить приборы по цифре, но ценой отказа от аналогового сигнала и снижения скорости. На практике оптимальным решением зачастую становится применение HART-мультиплексора, который считывает данные с каждого датчика, не вмешиваясь в основной сигнал 4–20 мА. Такие устройства, как MUX8 от СКБ «Промавтоматика», дают возможность получить информацию с датчиков как по протоколу Modbus, так и помощью HART-команд, без модернизации парка оборудования.