Краткий анализ общих технических требований к датчикам дифференциального давления на основе протокола HART 1 

1. Обзор

Принцип работы датчика давления заключается в преобразовании сигнала давления в пригодный для использования электрический выходной сигнал с помощью преобразователя (обычно датчика давления) по определённой схеме. Стандартный выходной сигнал составляет 4–20 мА. Для более удобной настройки прибора к сигналу 4–20 мА был добавлен цифровой сигнал, что привело к появлению протокола HART. В данной статье будут описаны общие технические характеристики датчиков давления/дифференциального давления, совместимых с HART, с акцентом на их отличиях от традиционного чисто аналогового сигнала 4–20 мА.

2. Цитирование

В статье имеются ссылки на следующие документы:

Датчик давления JJG 882 ;

GB/T29817—2013 Общие технические требования к датчикам давления/дифференциального давления на основе протокола HART

3. термин

HART-коммуникатор

Портативное оборудование для настройки и отладки (ручной оператор) на основе протокола связи HART и технологии EDD для настройки или связи с интеллектуальными устройствами HART.

Bell202

Стандарт полнодуплексной связи, использующий разные частоты для разных каналов, используя 1200 Гц и 2200 Гц для представления 1 и 0 соответственно , со скоростью передачи данных 1200 бод. HART использует механизм связи Bell 202, но только как полудуплексную систему, при этом одна частота канала не используется.

Пакетный режим

Режим связи в протоколе связи HART , который посредством настройки ведущим устройством заставляет одно ведомое устройство на шине автоматически и непрерывно отправлять стандартные ответные сообщения HART (например, значения PV) до тех пор, пока ведущее устройство не отправит команду на завершение режима.

Описание электронного устройства EDD

Набор данных, содержащий параметры устройства, их зависимости, их графическое представление и описание передаваемого набора данных. ПРИМЕЧАНИЕ. Описания электронных устройств создаются с использованием языка описания электронных устройств (EDDL).

Протокол связи HART

Протокол полевой шины, совместимый с традиционными аналоговыми сигнальными системами 4–20 мА, называемый протоколом HART. Он определён как Тип 20 в стандарте IEC 61158 и как Семейство профилей связи 9 (CPF9) в стандарте IEC 61784-1.

Взаимодействие

Способность двух или более устройств, независимо от производителя, работать вместе в одном или нескольких распределенных приложениях.

Главное устройство

Устройство в системе «ведущий-ведомый», которое инициирует все взаимодействия и команды (например, центральный контроллер).

Подчиненное устройство

Устройство в системе «ведущий-ведомый», которое получает команды от ведущего устройства (например, передатчика, клапана и т. д.) .

опрос

Метод опроса устройств в сети для определения готовности устройства к отправке данных.

Переменная процесса PV

Параметры процесса, используемые для измерения или контроля (например, уровень жидкости, расход, температура, масса, плотность и т. д.).

Состояние устройства и диагностика

Протокол связи HART определяет базовую информацию о состоянии, которая обычно включается в ответное сообщение полевого устройства. Главная система обнаруживает ошибки и предупреждения полевого прибора, анализируя информацию о состоянии в ответном сообщении. Эта информация о состоянии позволяет пользователям диагностировать устройство, предоставляя такие сведения, как пределы диапазона и рабочее состояние оборудования.

4. Выходной сигнал HART

4.1. Выходной сигнал

4.1.1. Базовый выходной сигнал

Датчики давления/дифференциального давления с протоколом HART обычно выдают как аналоговые, так и цифровые выходные сигналы 4–20 мА. Цифровые сигналы HART, подключаемые по проводной технологии, используют технологию частотной манипуляции (FSK), наложенную на традиционные аналоговые сигналы, передавая информацию об управлении полевыми устройствами в систему управления по цифровой связи. Они также обеспечивают возможность удаленной настройки и управления. В следующей таблице перечислены основные выходные сигналы датчиков давления/дифференциального давления HART.

Базовый выходной сигнал датчика давления/перепада давления HART

4.1.2. Физические требования к выходу сигнала HART

Затухание и искажение сигнала: предел 65 мкс: Любая сеть содержит сопротивление и емкость, которые могут вызвать затухание, задержку или сдвиг фазы передаваемого сигнала. Для обеспечения надежного приема сигналов HART через нагрузочный резистор затухание сигнала от поля не должно превышать 3 дБ. Для этого спецификация HART требует, чтобы минимальная частота среза была немного выше максимальной частоты сигнала HART, а постоянная времени резистивно-емкостной RC-цепи была менее 65 мкс. В простой системе HART сопротивление равно сумме сопротивления нагрузки и сопротивления кабеля, а емкость — сумме емкости кабеля и емкости подключенного устройства. Если длина кабеля составляет несколько метров, влияние сопротивления и емкости на постоянную времени RC-цепи становится значительным.

4.1.3. Топологии и требования к кабельным системам

Цифровая связь HART обычно использует конфигурацию «ведущий/ведомый». Система связи HART обычно состоит из двух ведущих станций. В зависимости от используемых коротких и длинных адресов, каждая из ведущих станций может обслуживать несколько приборов. Каждое устройство может иметь до 256 переменных , каждая из которых использует тип данных с плавающей запятой IEEE 754 (32 бита) в инженерных единицах.

Цифровой протокол связи HART поддерживает следующие топологии проводки и режимы связи:

Точка-точка : обеспечивает передачу как аналоговых, так и цифровых сигналов, соединение между ведущим устройством и ведомым устройством;

Многоточечный режим : полностью цифровой режим связи, обеспечивающий только цифровые сигналы и подключающий несколько полевых устройств HART по одному кабелю .

Пакетный режим : устанавливается ведущим устройством, позволяя ведомому устройству на шине автоматически и непрерывно отправлять стандартные ответные сообщения HART.

Метод установки интеллектуальных приборов с протоколом HART в целом аналогичен методу установки традиционных аналоговых приборов с выходным током 4–20 мА. Рекомендуется использовать экранированную витую пару. Длина кабеля: витая пара ≤ 3048 м (10 000 футов); многопарный кабель ≤ 1524 м (5000 футов). Требования к диаметру провода: для расстояния установки ≤ 1524 м (5000 футов) диаметр провода должен быть ≥ 0,51 мм (#24AWG); для расстояния установки более 1524 м (5000 футов) диаметр провода должен быть ≥ 0,81 мм (#20AWG).

В следующей таблице показано, как емкость и количество устройств в сети влияют на максимальную дальность связи HART при различных условиях длины кабеля .

Применимая длина экранированной витой пары диаметром 1,02 мм (#18AWG)