Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI

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1 Berner Fachhochschule Hochschule für Technik und Informatik HTI Das Diese Dokumentation ist Teil einer Zusammenstellung von Berichten zu Feldbussystemen, die im Rahmen des Vertiefungsmoduls Embeded Control der HTI Burgdorf, erarbeitet wurden. Ziel dieser Aufgabe ist es, anhand von fünf Beurteilungskriterien die Kommunikationssysteme zu beschreiben. Dieser Bericht beleuchtet das Wesen des s. Schäppi Urs, Klasse E3A Burgdorf, Dezember 2005

2 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis 1 INHALTSVERZEICHNIS 2 2 EINLEITUNG 3 3 GESCHICHTE 4 4 MARKT UND EINSATZGEBIETE 5 5 ANWENDUNGSMODELLE PUNKT ZU PUNKT VERBINDUNG HART ÜBER MULTIPLEXER MULTIDROP SPEZIELLE APPLIKATIONEN HERSTELLERSPEZIFISCHE ERWEITERUNGEN 8 6 TECHNOLOGIE PHYSIKALISCHE SCHICHT DIENSTSCHICHT ZUGRIFFSSTEUERUNG KOMMUNIKATIONSDIENSTE TELEGRAMMAUFBAU STÖRSICHERHEIT ÜBERTRAGUNGSZEIT UND NUTZDATENRATE ANWENDUNGSSCHICHT 14 7 INSTALLATIONSTECHNIK 15 8 SCHLUSSFOLGERUNGEN 16 9 QUELLEN 16 2

3 Einleitung 2 Einleitung HART (Highway Addressable Remote Transducer) ist ein Protokoll für busadressierte Feldgeräte. Es ist kein Feldbus aber eine Variante der digitalen Feldkommunikation, die viele Funktionalitäten von Feldbusen beinhaltet. Bei der HART Kommunikation werden Feldgeräte konventionell über 4..20mA Stromschleifen (Normsignal) verbunden bzw. an Regler und Steuerungen mit solchem Normsignalausgang angeschlossen. Über das Normsignal werden Sollwerte (z.b. für digitale Stellungsregler) oder Istwerte (z.b. für Messumformer) übertragen. Neben der Signalübertragung dienen diese Stromsignale bei der 2-Leiter Technik als Versorgung der Feldgeräte. Diesem analogen Signal wird im FSK Verfahren (Frequency Shift Keying) ein digitales Signal aufmoduliert. Somit können zusätzlich Mess-, Stell- und Gerätedaten übertragen werden, ohne das Analogsignal zu beeinflussen. Zusätzlich wird über das HART- Protokoll eine umfassende Integration der Feldgeräte in Engineering- Tools und Prozessleitsysteme ermöglicht. Die Reaktionszeiten von HART liegen im Bereich von 500ms. Bei Verwendung von HART Ex-Trennstufen ist auch ein Einsatz in Explosionsgefährteter Umgebung möglich. Abbildung 1: Normsignal mit aufmoduliertem Digitalsignal aus 3

4 Geschichte 3 Geschichte Mitte der Achtzigerjahre entwickelte die Firma Rosemount Inc. ein proprietäres Kommunikationsprotokoll für ihre SMART Feldgeräte. Dieses wurde 1986 durch die HART Communicaton Foundation als Grundlage für das verwendet und in einer ersten Revision zu einem offenen Protokoll gemacht. Seit dann wurde das Protokoll sukzessive weiter entwickelt. Es folgten: Revisionen der Spezifikationen, der Befehlssatz wurde erweitert, zusätzliche Hersteller- und Engineering Informationsblöcke wurden eingebettet und Fehlermeldungen eingebunden. Revision Date introduced Features First public specification. Commands #0 to #6, #33 to # New command # Improved support for multiple variables. Write-protect status. Optional type-code expansion. New commands #50 to #56. Long frame format, unique identifier. Burst mode. Block commands #4 and #5 replaced by new commands #12 to #18. New commands #11 to #19, #57 to #59, #108 to #112. Improved data link and physical layer specifications. Support for multiple analogue outputs and non-current analogue outputs. New commands #60 to #70, # Physical layer specification revision Minor update to tables Major enhancements... Long tag (32 characters). Better support for multivariable devices and actuators. More device and variable status information. Device families. Block data transfer. New commands #7, #8, #20 to #22, #71 to #75, #79 to #83, #106, #111, #112. Many other commands extended. Most specs re-written for clarity. Tabelle 1: HART Erweiterungen aus 4

5 Markt und Einsatzgebiete 4 Markt und Einsatzgebiete Aus der zweiten Feldbus Studie des internationalen Marktforschungsunternehmen ARC Advisory Group geht hervor, dass HART besonders in der Prozessautomation zu Hause ist. Weiter ist ersichtlich, dass HART in diesem Bereich zurzeit Marktleader ist. Am Swiss Industrial Networks Day berichtete Herr Edgar Küster von PROFIBUS International, dass die ca.17% des Marktes von PROFIBUS ca. 1.6 Mio. Geräte ausmachen. Somit schätze ich, dass es ca. 7.5 Mio. HART Geräte im Einsatz gibt. Abbildung 2: Marktanteile aus der Feldbus Studie der Firma ARC Advisory Group In der regionalen Marktverteilung geht hervor, das HART weltweit verbreitet ist. HART macht zwei drittel des Prozessautomations-Marktes aus. Abbildung 3: Regionale Marktanteile aus der Feldbus Studie der Firma ARC Advisory Group 5

6 Anwendungsmodelle 5 Anwendungsmodelle Im folgenden Abschnitt gehe ich auf die Verschaltung der HART Geräte ein. Die HART Kommunikation wird häufig für eine Zweipunktverbindung genutzt. Darüber hinaus existieren aber viele weitere Verbindungsmöglichkeiten. Für grosse Anlagen lässt sich die Anzahl der anwählbaren Geräte durch eine Multiplexer Steuerung erweitern. Um die HART Kommunikation an andere Kommunikationssysteme anzukoppeln, werden Gateways eingesetzt. Diese übersetzen wechselseitig die Protokolle, der zu koppelnden Netze. In den meisten Fällen wird man für komplexe Kommunikationsaufgaben aber von vornherein auf ein leistungsfähigeres Feldbussystem zurückgreiffen. 5.1 Punkt zu Punkt Verbindung Die untenstehende Grafik zeigt die typische Verschaltung eines HART Feldgerätes und eines Bediengerätes. Sie wird Punkt zu Punkt Verbindung genannt. Während bei Feldgeräten und kompakten Handgeräten das FSK Modem im Gerät integriert ist, wird es bei PC-Bedienstationen über eine serielle Schnittstelle extern angeschlossen. Abbildung 4: Punkt zu Punkt Verbindung aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 5.2 HART über Multiplexer Die Abbildung 5 zeigt die Verdrahtung über einen Multiplexer, über welchen sehr viele HART Geräte angebunden werden können. Der Benutzer wählt per Bedienelement eine Stromschleife zur Kommunikation aus. Für die Dauer der Kommunikation verbindet der Multiplexer diese mit der Bedienstation. Mit einer kaskadierten Multiplexerstruktur kann mit sehr vielen (>1000) Geräten kommuniziert werden. 6

7 Anwendungsmodelle Abbildung 5: HART Kommunikation über Multiplexer aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 5.3 Multidrop Das wurde ursprünglich für Messumformer konzipiert. Für diese wurde auch der Multidrop Betrieb spezifiziert. Hier tauschen die Geräte ihre Daten und Messwerte ausschliesslich über das aus. Das Analogstromsignal dient nur noch zur Energieversorgung. Bei Multidrop werden bis zu 15 Feldgeräte parallel an das Adernpaar angeschlossen. Die Bedienstation unterscheidet die Geräte durch ihre voreingestellten Adressen im Bereich von 1 bis 15. Abbildung 6: Multidrop aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 7

8 Anwendungsmodelle 5.4 Spezielle Applikationen Spezielle Applikationen erfordern, dass mehrere Aktoren dasselbe Stellsignal erhalten. Ein Typisches Beispiel ist der Split- Range- Betrieb von Stellventilen. Hier arbeitet ein Ventil im Stromsollbereich von 4..12mA, während das zweite den Bereich von mA abdeckt. Abbildung 7: Split- Range- Betrieb aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 5.5 Herstellerspezifische Erweiterungen Für das existieren zusätzliche, herstellerspezifische Erweiterungen. Von der Firma Hartmann & Braun wurde beispielsweise der FSK Bus entwickelt, an den sich eine Art Gerätebus mit bis ca. 100 Geräte anschliessen lässt. Dazu sind spezielle, als Baugruppe ausgeführte, Trennverstärker erforderlich. Die HART Geräte werden über diese Trennverstärker mit ihrem Analogsignal sowie mit der gemeinsamen FSK Busleitung verbunden. Abbildung 8: Schaltbild FSK Bus aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 8

9 Technologie 6 Technologie Abbildung 9: im ISO/OSI Referenzmodell aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE Das folgt dem ISO/OSI Referenzmodell. Wie bei den meisten Kommunikationssystemen für die Feldebene, sind beim nur die Schichten eins, zwei und sieben implementiert. Die Schichten drei bis sechs werden nicht verwendet oder von der Schicht sieben übernommen. 9

10 Technologie 6.1 Physikalische Schicht Die Datenübertragung zwischen den Mastern und den Feldgeräten wird physikalisch dadurch realisiert, dass auf die 4..20mA Stromschleife ein codiertes Signal aufmoduliert wird. Da die Codierung mittelwertfrei ist, beeinflusst sie eine zeitgleich stattfindende Analogsignalübertragung nicht. Auf diese Weise steht dem nebst dem Simplex-Kanal des Stromsignals (Analoges Steuergerät Feldgerät) auch ein Halbduplex-Kanal für die Kommunikation zur Verfügung. Abbildung 10: Analogsignal mit aufmoduliertem HART Signal aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE Die Bitübertragungsschicht definiert eine asynchrone Halb-duplex-Schnittstelle, die auf der Leitung des Analog-Signals arbeitet. Zur Codierung wird das FSK-Verfahren (Frequency Shift Keying), basierend auf dem Bell 202-Kommunikationsstandart, genutzt. Dem die beiden digitalen Zustände 0 und 1 den Frequenzen 2.2kHz und 1.2kHz zugeordnet werden. Die Bytes des Telegrams werden als 11Bit UART Zeichen mit einer Datenübertragungsrate von 1.2kBit/s übertragen. Die HART Spezifikation legt fest, dass Bediengeräte (Master) ein Spannungssignal senden, während die Feldgeräte (Slaves) ihre Nachrichten über Ströme absetzen. Die Stromsignale werden am Innenwiderstand des Empfängers in Spannungssignale umgesetzt. Um einen zuverlässigen Empfang zu garantieren, spezifiziert das, dass die Gesamtbürde der Schleife, einschliesslich Kabelwiderstand, zwischen 230Ohm und 1.1kOhm liegen muss. Zumeist wird aber die obere Grenze nicht durch diese Spezifikation, sondern durch die begrenzte Ausgansleistung der speisenden Stromquelle gegeben. 10

11 Technologie 6.2 Dienstschicht Zugriffssteuerung Das arbeitet noch nach dem Master-Slave Verfahren. Jede Kommunikationsaktivität geht vom Master aus. HART lässt zwei Master zu, den primären typischerweise das Leitsystem und den sekundären ein vor Ort Bediengerät (PC, Laptop oder Handterminal). HART Feldgeräte (Slaves) antworten immer nur auf die Anfrage des Masters. Die Zuteilung, wann welche Master Bedienstation aktiv ist, erfolgt zeitgesteuert. Nach jeder Transaktion kann, innerhalb eines fest zugeteilten Zeitfensters einer der beiden Master die Kommunikation übernehmen. Abbildung 11: Master/Slave Datenaustausch aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE Kommunikationsdienste Das unterscheidet Standard- und Broadcastkommandos. Die Standardkommandos werden für die Abfrage einzelner Geräte verwendet. Beim Verbindungsaufbau kann der Master mittels des HART Kommandos 11 über eine Broadcast Nachricht die Systemkonfiguration aller Geräte überprüfen. Darüber hinaus existiert der BURST Mode. Dabei setzt ein einziges Feldgerät, mit kurzen Pausen von 75ms, zyklisch Nachrichten ab. Während normalerweise pro Sekunde nur zwei Transaktionen möglich sind, kann das Feldgerät auf diese Weise bis zu vier Telegramme absetzen Telegrammaufbau Abbildung 12: Telegrammaufbau aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 11

12 Technologie Ein HART Telegramm ist entsprechend Bild 12 aufgebaut. Jedes einzelne Byte wird als 11-Bit UART Zeichen mit Start-, Paritäts- und Stopbit gesendet. Seit der Revision 5 unterscheidet das zwischen zwei Telegrammformaten, die mit unterschiedlichen Adressierungsarten arbeiten. Neben der kurzen Vierbit Adressierung der Slaves, ist alternativ ein langes Adressformat eingeführt worden. Mit diesem lassen sich mehrere Teilnehmer einbinden, wobei zugleich eine erhöhte Sicherheit gegenüber fehlerhafter Adressierung bei Übertragungsstörungen erreicht wird. Die Elemente des HART Telegramms haben folgende Aufgaben: Die aus drei oder mehr 0xFF Hexzeichen bestehende Präambel dient zur Synchronisation der Teilnehmer. Das Startbyte kennzeichnet, wer sendet (Master, Slave, Slave im BRUST Mode) und ob das lange oder kurze Telegramm verwendet wird. Beim kurzen Format besteht die Adresse aus einem Byte (Bild 13), wobei ein Bit für die Unterscheidung der beiden Master und ein Bit für die Kennzeichnung von Burst-Telegrammen zuständig ist. Die Adressierung der Feldgeräte erfolgt über vier Bits (Adresse 0..15). Bei der langen Adressierung werden fünf Bytes verwendet, so dass die Feldgeräteidentifizierung über 38 Bits erfolgt. Das Kommandobyte codiert Masterbefehle der Kategorien universelle- standartund gerätespezifische Kommandos. Die Bedeutung dieser Kommandos ergeben sich aus der Anwendungsschicht. BC (Bytecounter) gibt die Länge des Telegramms für die Errechnung der Checksummen an. Gezählt werden die Status- und Datenbyte. Die Statusbyte sind nur in Slave Telegrammen enthalten. Damit wird der fehlerfreie Empfang sowie der Betriebsstatus des Feldgerätes bitcodiert übertragen. Im Normalfall sind beide Byte Null. Nach den Daten wird das Prüfbyte gesendet. Es bildet die longitudinale Parität über alle Bytes des Telegramms. Demnach ist die Hammingdistanz der Hartübertragung vier. Abbildung 13: HART Adressierung aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 12

13 Technologie Störsicherheit Während des Betriebs können Kommunikationsteilnehmer zugeschaltet oder entfernt werden, ohne dass die Kommunikation unterbrochen wird. Gegenüber Störungen, die in die Übertragungsleitung eingekoppelt sein könnten, fordert die HART Spezifikation eine Störsicherheit gemäss IEC und -4 der Stärke 3. Allgemeine Störfestikeitsanforderungen werden damit erfüllt. In den unteren Schichten werden bei der Telegrammübertragung durch die UART- und longitudinal Paritätsprüfung bis zu drei fehlerhaften Bit sicher erkennt. Fehler, die auf höheren Ebenen auftreten (Gerätedefekte, etc.) meldet der Slave bei jeder Transaktion. Das ermöglicht die Fehlerbehandlung auf der Leitebene Übertragungszeit und Nutzdatenrate Abbildung 14: Übertragungszeit eines Telegramms aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE Diese Werte zeigen, dass die HART Kommunikation nicht dafür gedacht ist, zeitkritische Daten zu übertragen. Die Möglichkeit über HART die Führungsgrösse für ein Stellglied vorzugeben, ist daher für Test und Inbetriebnahmeschritte sinnvoll, aber nicht geeignet, um Regelaufgaben zu lösen. 13

14 Technologie 6.3 Anwendungsschicht Die Kommunikationsroutinen der HART Bediengeräte und programme basieren auf HART Kommandos, welche in der Anwendungsschicht des s definiert sind. Mit Hilfe vordefinierter Kommandos erteilt ein Bediengerät Befehle an ein Feldgerät oder setzt Nachrichten/Daten ab. So lassen sich Soll-, Istwerte und Parameter übertragen sowie verschiedene Dienste zur Inbetriebnahme und Diagnose abwickeln. Die Feldgeräte antworten unmittelbar mit Ihrem Bestätigungstelegramm, welches eventuell angeforderte Statusmeldungen und Daten des Feldgerätes enthält. Um eine universelle, aber auch Geräteübergreifende Kommunikation zu ermöglichen, gruppiert man HART Kommandos entsprechend ihrer Funktion für Bedien- und Feldgeräte. Die meisten Feldgeräte unterstützen Kommandos aus allen Klassen. Die Bedienelemente können mittels der DLL Gerätebeschreibung auch gerätespezifische-, herstellerdefinierte- Kommandos ausführen. Abbildung 15: Einteilung der Kommandos aus Samson AG, Technische Information,V74/DKE 14

15 Installationstechnik 7 Installationstechnik Bei der Installation ist zu beachten, dass die Bürde eines HART Gerätes gemäss Spezifikation auf max. 1.1kOhm beschränkt ist. Eine weitere Einschränkung entsteht, vor allem bei älteren Anlagen, durch den Prozessregler. Dessen Ausgänge müssen in der Lage sein, die Versorgungsenergie des angeschlossenen Zweileitergerätes bereit zu stellen. HART Leitungen im Feld bestehen üblicherweise aus verdrillten Leitungspaaren. Werden sehr dünne und/oder lange Kabel verwendet, vergrössert sich der Leitungswiderstand und damit die Bürde. Dadurch erhöht sich die Signaldämpfung und -verzerrung und die Grenzfrequenz des Übertragungsnetzes sinkt. Sind Störungen durch Fremdsignale möglich, müssen vor allem bei längeren Leitungen die Kabel geschirmt werden. Dabei sollte der Signalkreis und der Leitungsschirm nur an einem gemeinsamen Punkt geerdet werden. Laut Spezifikation gelten folgende Faustregeln: Für kurze Entfernungen eignen sich einfache ungeschirmte 0.2mm 2 Zweidrahtleitungen. Bis 1.5km sollten einzeln verdrillte und gemeinsam geschirmte 0.2mm 2 Adernpaare verwendet werden. Für Entfernungen bis 3km sind einzeln verdrillte und paarweise geschirmte 0.2mm 2 Zweidrahtleitungen notwendig. Ein wesentliches Merkmal von HART ist, dass die Kommunikation auf die bestehende Leitungsinstallation aufsetzt. Die HART Spezifikation legt deshalb auch keinen speziellen Stecker fest. Da die Polarität bei der Auswertung der Frequenzen keinen Einfluss hat, werden HART Signale zumeist über einfache Klemmbuchsen geführt. 15

16 Schlussfolgerungen/Quellen 8 Schlussfolgerungen Die Stärken von HART sind: Einfach in Aufbau, Wartung und Unterhalt Kompatibel zu konventioneller Analoggeräte Instrumentierung Offener Standart, der jedem Hersteller zur Verfügung steht Störsicherheit Die schwäche von HART ist, dass gerade weil es zur alternder Technologie der Analogen Instrumentierung kompatibel ist, Erneuerungen nur im Bereich der Software und nicht im Übertragungsmedium stattgefunden haben. Daher ist HART heute im vergleich mit anderen Kommunikationssystemen langsam. Eine Investition in Richtung digitalisierter Feldgeräte dürfte bei zukünftigen Investitionen (Ausbau, Erneuerungen, Reparaturen) in alte Anlagen durchaus überdacht werden. 9 Quellen Internet: HART Communication Foundation International Guide to HART based products & services Fluid control systems Freie Enzyklopädie PDF: Technische Information: Samson AG, V74/DKE Diverse: Folien Industrial Network Day Versuchsaufbau für die HART Kommunikation im Labor von Herr Lanz (Sensorik) 16