HART (Highway Addressable Remote Transducer) – распространенный протокол для передачи цифровых данных поверх аналогового сигнала 4–20 мА, используемый во многих промышленных датчиках. Для доступа к этим данным применяются специальные HART-приборы. В предыдущей статье мы рассмотрели развитие линейки таких приборов от СКБ «Промавтоматика» и появление нового многоканального HART-мультиплексора как KP-HART.MUX8. Теперь же подробнее остановимся на том, как разные HART-устройства позволяют решать задачи автоматизации – от небольших систем с несколькими датчиками до крупных объектов с сотнями и тысячами приборов, требующих высокой скорости опроса и надежности.
HART-модемы и контроллеры для небольших систем
Для работы с одним или несколькими HART-датчиками на небольших объектах применяются HART-модемы и HART-контроллеры. Примером может служить модем MD-HART.M2 и контроллер KP-HART.M2 – два базовых прибора из линейки СКБ «Промавтоматика». Эти устройства выполняют разные функции: MD-HART.M2 действует как модем, преобразуя сигнал HART в сигналы интерфейсов RS-232/485/USB для передачи на компьютер или другое мастер-устройство, тогда как KP-HART.M2 сам опрашивает подключенные HART-датчики по протоколу HART и сохраняет полученные данные в собственной карте регистров Modbus. Таким образом, внешняя система (например, АСУТП или SCADA), поддерживающая Modbus, может напрямую считать измерения с HART-датчиков через контроллер KP-HART.M2, в то время как модем MD-HART.M2 больше подходит для подключения одиночного датчика к компьютеру или программируемому контроллеру для настройки и диагностики. Пример применения HART-модема MD-HART.M2 для конфигурирования полевого прибора показан на рисунке ниже.
В данной схеме модем подключается параллельно HART-датчику (сохраняя его основной выход 4–20 мА на вход контроллера), и через интерфейс USB/RS-485 связывается с компьютером, на котором запущено программное обеспечение Pactware/AMS. MD-HART.M2 не опрашивает датчик автономно, а лишь транслирует протокол HART в цифровой вид для мастер-устройства. Этот подход удобен для параметрирования и диагностики отдельных устройств: инженер подключает ноутбук через модем к нужному датчику и получает полный доступ ко всем его внутренним переменным и настройкам, не нарушая работу основной аналоговой цепи.
Если же требуется постоянно считывать дополнительные параметры одного или нескольких HART-датчиков и передавать их в систему верхнего уровня, целесообразно использовать контроллер KP-HART.M2. Он способен выполнять циклический опрос как 1-го датчика 4-20 мА (одноточечный режим), так и до 15-ти HART-устройств на одной линии (многоточечный режим), когда каждому датчику присваивается уникальный ненулевой HART-адрес от 1-го до 15-ти (см. рисунок ниже).
При этом контроллер размещает считанные значения в своих Modbus-регистрах для последующего чтения мастер-устройством. Следует отметить, что при многоточечном подключении (несколько HART-датчиков на одной линии) аналоговые выходы таких датчиков фиксируются на уровне 4 мА. Поэтому схема с одним KP-HART.M2 на несколько датчиков подходит в тех случаях, когда аналоговый сигнал 4–20 мА от этих приборов не задействован в управлении. В противном случае (если требуется и аналоговый выход каждого датчика, и доступ к его HART-данным) нужен другой подход – об этом мы поговорим далее.
HART-мультиплексоры для более сложных систем
Когда число HART-приборов возрастает и возникает необходимость одновременно получать информацию с многих датчиков, к тому же без потери их аналоговых сигналов, на помощь приходят HART-мультиплексоры. Это устройства, позволяющие подключить несколько линий 4–20 мА к одному узлу сбора данных. В отличие от многоточечного режима, мультиплексор обслуживает несколько каналов параллельно – каждый датчик остается на своей индивидуальной аналоговой цепи, но все они доступны для опроса через единый коммуникационный интерфейс.
Одним из таких решений является 8-канальный HART-мультиплексор KP-HART-MUX8.M3 от СКБ «Промавтоматика». Он был разработан специально для задачи одновременного съема дополнительных данных с группы независимых 4–20 мА датчиков. По сути, один KP-HART-MUX8.M3 заменяет восемь отдельных контроллеров KP-HART.M2, что упрощает систему и снижает стоимость на канал примерно в 1.5 раза. Мультиплексор подключается параллельно каждому датчику (на входные цепи 4–20 мА) и обеспечивает циклический опрос до 8 датчиков – по одному на каждый канал. Важная особенность – полная гальваническая развязка всех каналов, исключающая взаимное влияние линий. Это означает, что все 8 аналоговых выходов датчиков продолжают нормально работать и считываться основным контроллером, даже когда мультиплексор опрашивает датчики по HART-протоколу.
Кроме того, KP-HART-MUX8.M3 умеет работать в двух режимах одновременно: как контроллер HART–Modbus (предоставляя данные датчиков по Modbus RTU) и как собственно HART-мультиплексор. Последний режим предполагает прямой доступ мастер-устройства к каждому HART-каналу через собственные коммуникационные порты прибора. В контроллере KP-HART-MUX8.М3 для этого предусмотрены интерфейсы USB, RS-232 и два RS-485, причём доступ по всем 4-м интерфейсам возможен одновременно. Например, через RS-485 мультиплексор может опрашиваться контроллером АСУТП по Modbus, а параллельно по USB к нему может быть подключен ноутбук с программой типа AMS Device Manager или Pactware для детальной диагностики приборов. Такое совмещение не приводит к конфликтам – мультиплексор арбитрирует обращения и обеспечивает целостность данных.
HART-мультиплексоры подобного класса уже присутствовали на рынке у ряда производителей. Например, известны устройства Metran-670 (Метран), MACX MCR-S-MUX (Phoenix Contact), MTL 4850 (Eaton MTL), Mux2700 и KFD2-HMM-16 (Pepperl+Fuchs). Однако все эти решения по сути являются многоканальными аналогами HART-модема (то есть просто обеспечивают доступ нескольких HART-каналов для внешнего мастер-устройства), но не интегрируются с Modbus-системами напрямую. В отличие от них, мультиплексор KP-HART-MUX8.M3 изначально разрабатывался с возможностью прямого опроса через Modbus. Фактически, он сочетает функциональность обычного HART-мультиплексора и HART-контроллера: с одной стороны, предоставляет доступ к приборам по HART (как и импортные аналоги), с другой – самостоятельно собирает данные и хранит их для выдачи по Modbus. В результате KP-HART-MUX8.M3 является более гибким и универсальным решением, способным заменить зарубежные устройства этого класса и при этом упростить интеграцию с существующими системами автоматизации. Не случайно в режиме HART-мультиплексора он позиционируется как функциональный аналог популярного модуля Phoenix Contact MACX MCR-S-MUX, дополняющий его функциональность поддержкой Modbus-протокола.
Ниже приведен рисунок, на котором показано использование HART-мультиплексора KP-HART-MUX8.M3 для одновременной работы нескольких систем.
Каждый из трёх показанных HART-датчиков подключён своим выходом 4–20 мА к основному контроллеру АСУТП (например, ПЛК-166.М2И). Одновременно эти же датчики параллельно подключены к входным каналам мультиплексора (адрес каждого установлен в 0, чтобы оставить активным аналоговый выход). KP-HART-MUX8.M3 циклически опрашивает все три прибора по HART и выдаёт их цифровые измерения по интерфейсу RS-485 (Modbus RTU) вторичному устройству – в данном примере это вычислитель УВП-280, играющий роль Modbus-мастера. Благодаря гальванической развязке каналов, такой параллельный опрос не мешает основной аналоговой схеме. Данный пример показывает, как можно без доработки существующей системы получить дополнительные данные с полевых датчиков: мультиплексор «прозрачно» подключается к уже проложенным линиям 4–20 мА и позволяет считать по Modbus любую доступную через HART информацию (диагностику, вторичные переменные и пр.), не нарушая при этом работу контура управления.
Стоит добавить, что 8-канальным ограничение не является – если устройств больше, на одну линию RS-485 можно повесить несколько мультиплексоров. KP-HART-MUX8.M3 поддерживает адресацию до 31-го узла на шине RS-485, то есть теоретически один сегмент Modbus может обслуживать до 31-го мультиплексора, суммарно 248 HART-датчиков. На практике же с ростом числа узлов и каналов время опроса по последовательному интерфейсу возрастает, поэтому для очень больших систем необходимы другие решения, обеспечивающие более высокую скорость. Ниже рассмотрим способы масштабирования HART-сети до сотен и тысяч устройств при сохранении быстродействия.
Высокоскоростной опрос для крупных систем (сотни и тысячи устройств)
В системах, где требуется опрашивать от сотни до нескольких тысяч HART-устройств, обычного последовательного интерфейса может оказаться недостаточно. Ограниченная скорость Modbus RTU по RS-485 и последовательный опрос каналов один за другим приводят к увеличению времени получения данных. Кроме того, может понадобиться одновременный доступ к приборам сразу нескольким мастер-системам (например, основному и резервному серверу, либо системе управления и системе мониторинга состояния оборудования). Для решения этих задач в линейке СКБ «Промавтоматика» предусмотрены следующие подходы:
· Переход на Ethernet-коммуникации. Для увеличения пропускной способности и удобства интеграции можно использовать преобразователи интерфейсов Modbus RTU – Modbus TCP/IP. Например, специализированный мультиплексор ETH-HART-MUX64.M3 выполняет функции шлюза, переводящего данные с последовательной шины на сеть Ethernet (поддерживаются протоколы Modbus/TCP и HART-IP). С его помощью каждый мультиплексор или контроллер HART получает сетевой адрес и может опрашиваться по Modbus/TCP значительно быстрее, чем по RS-485, к тому же несколькими клиентами одновременно. По сути, ETH-HART-MUX64.M3 может работать сразу в двух ролях: HART-IP шлюза для прямого доступа к приборам и шлюза Modbus TCP/RTU для интеграции с существующими SCADA-системами.
· Параллельный опрос HART-каналов. Второй путь повышения скорости – исключить последовательный обход каналов. Новейший 8-канальный контроллер KP-HART8.M3 способен сканировать все 8 HART-каналов одновременно, в отличие от традиционных мультиплексоров, опрашивающих каналы поочерёдно. Если к одному из его каналов подключено несколько приборов в многоточечном режиме, они опрашиваются циклически параллельно опросу других каналов. Таким образом, значительно уменьшается суммарная задержка при большом числе датчиков. Максимальная архитектура достигается при объединении нескольких таких контроллеров через упомянутый Ethernet-шлюз. Один ETH-HART-MUX64.M3 поддерживает подключение до восьми контроллеров KP-HART8.M3 или KP-HART-MUX8.M3, образуя систему с 64 каналами HART, опрашиваемыми в параллельном режиме через сеть Ethernet. Эта связка фактически превращается в мощный HART-IP сервер, способный обслуживать крупномасштабную сеть полевых устройств.
Комбинация ETH-HART-MUX64 + контроллеры KP-HART8.M3 (либо существующие модули KP-HART-MUX8.M3) позволяет реализовать высокоскоростной сбор данных с десятков и сотен приборов. Такая схема показана на рисунке ниже.
Причем такая распределенная система полностью аппаратно и функционально совместима с решениями ведущих мировых производителей. По своим возможностям она аналогична связке модулей Phoenix Contact GW PL ETH/BASIC-BUS и GW PL HART8-BUS. Другими словами, отечественные HART-приборы СКБ «Промавтоматика» могут напрямую заменить аналогичные импортные, при этом обеспечивая дополнительную гибкость. Так, поддержка протокола HART-IP дает возможность подключать стандартные программные продукты для управления устройствами (например, Pactware, Yokogawa PRM) без каких-либо доработок. Одновременно Modbus/TCP-интерфейс открывает путь для быстрого обмена данными с SCADA и архивирующими системами предприятия. Важно, что 64-канальная конфигурация не является пределом: если устройств еще больше, можно установить несколько таких узлов ETH-HART-MUX64 в сети Ethernet, распределив между ними HART-каналы.
Кроме того, при необходимости каждый из 64-х каналов способен опрашивать до 15-ти датчиков (в многоточечном режиме, с фиксированным током 4 мА у датчиков), что теоретически масштабирует систему до 960-ти HART-устройств на один шлюз. Практически же при таких масштабах целесообразно группировать устройства по участкам и использовать несколько шлюзов для обеспечения необходимой отказоустойчивости и пропускной способности.
Повышение надежности за счёт дублирования коммуникационных портов
Помимо скорости, большой интерес для промышленных пользователей представляет надежность коммуникаций с полевыми приборами. В ответ на этот запрос современные HART-устройства получают дублированные порты связи с верхним уровнем. Это позволяет строить отказоустойчивые схемы опроса: даже при выходе из строя одного канала связи данные продолжат поступать по резервному каналу.
Новое поколение приборов СКБ «Промавтоматика» учитывает данные требования. Например, мультиплексор KP-HART-MUX8.M3 во второй аппаратной ревизии (rev.2) оснащён уже двумя независимыми портами RS-485 вместо одного в rev.1. Теперь к одному мультиплексору можно одновременно подключить два мастер-устройства. Практический пример – организация главного и резервного канала: первый порт RS-485 связывается с основным контроллером или сервером, второй – с резервным (либо с системой технической диагностики). В обычном режиме оба ведущих устройства могут параллельно считывать данные с HART-датчиков, не мешая друг другу. Если же один из хостов выйдет из строя или потеряет связь, второй продолжит работу без перерыва, предотвращая потерю информации.
Аналогичная схема может применяться и для разграничения задач: через один интерфейс, скажем, SCADA-система выполняет частый опрос технологических параметров, а через другой порт периодически подключается сервисный ноутбук для калибровки или обновления конфигурации приборов. Всё это возможно без остановки процесса и без переподключения кабелей. Помимо двойного RS-485, у мультиплексора остаются доступными USB и RS-232, которые можно использовать для локальной настройки или интеграции с различными устройствами. Подобное дублирование коммуникационных интерфейсов реализовано не только в KP-HART-MUX8.M3 rev.2, но и в других новых продуктах – например, 8-канальный контроллер KP-HART8.M3 изначально имеет два порта RS-485 на борту, а Ethernet-шлюз ETH-HART-MUX64.M3 оснащён двумя независимыми RS-485 линиями для подключения периферии. Таким образом, в крупных распределённых системах можно выстраивать надежные топологии опроса (дуплексные кольца, резервированные линии и пр.), исключая единичные точки отказа.
Заключение
Линейка HART-устройств СКБ «Промавтоматика» охватывает весь спектр задач – от простого подключения одного датчика к ПК до построения целых сетей для мониторинга тысячи приборов. В каждом классе оборудования эти решения не уступают зарубежным аналогам, а зачастую и превосходят их по функциональности. Например, 8-канальный мультиплексор KP-HART-MUX8.M3 сочетает возможности традиционных HART-мультиплексоров Phoenix Contact, Pepperl+Fuchs и др. с поддержкой Modbus, упрощая интеграцию данных. А связка KP-HART8.M3 + ETH-HART-MUX64.M3 обеспечивает быстрый параллельный опрос десятков каналов и полностью аналогична по возможностям HART-шлюзам Phoenix Contact, при этом совместима с любым стандартным ПО для управления полевыми устройствами. Добавляя сюда расширенные функции (двойные порты связи, гибкие интерфейсы), отечественные HART-приборы становятся привлекательной альтернативой импортным для современных систем автоматизации. Каждый инженер, работающий с HART-датчиками, может найти в данной линейке оптимальное решение под свою задачу – будь то модернизация отдельного узла, повышение информативности технологического процесса или создание комплексной системы диагностики оборудования. Благодаря этим устройствам ценные данные, скрытые в недрах HART-протокола, становятся доступны легко, быстро и надежно, способствуя повышению эффективности и безопасности производств.