Protokół HART w sterownikach PLC BEDROCK

Wiktor Susfał Bedrock Tagi: , ,

PLC od BEDROCK wykorzystuje protokół HART. Dowiedz się jak działa oraz jak go wdrożyć za pomocą narzędzi od BEDROCK.

Na czym polega protokół HART

Protokół HART jest jednym z najbardziej niezawodnych rozwiązań, które pozwala na rozszerzenie ilości informacji przesyłanych za pomocą standardowych obwodów elektrycznych. Informacją w takim standardowym obwodzie jest analogowy sygnał prądowy o wartościach od 4 do 20mA. Za jego pomocą (po odpowiednim przeskalowaniu) przesyła się wartości z czujnika do stacji nadrzędnej (np. PLC).

Łatwo się domyślić, że tym sposobem w jednym obwodzie elektrycznym przekazać można jeden typ informacji. Jednak protokół HART wychodzi na przeciw temu problemowi, pozwalając w prosty sposób rozszerzyć komunikację.

Istotą protokołu HART jest dodanie do przebiegu sygnału prądowego oscylacji o z góry określonej częstotliwości. Pozwala to na przekazywanie nowych informacji równolegle do prowadzonych odczytów. Co więcej, przesłanie dodatkowej porcji danych, nie wymaga dołączenia żadnych nowych przewodów.

Cyfrowy sygnał (pochodzący od oscylacji) kodowany jest za pomocą zmieniającej się częstotliwości sygnału bazowego w następujący sposób:

  • częstotliwość 1200 Hz odpowiada logicznej „jedynce”,
  • 2200 Hz natomiast to „zero”.

Oscylacje dodaje się w taki sposób, że wartość średnia wynikowego sygnału obecnego w obwodzie zawsze równa się wartości sygnału analogowego, przesyłanego w tradycyjny sposób.

Widać więc, że nowy – wynikowy sygnał przekazuje informacje na dwa sposoby:

  • pierwszym z nich jest zmiana wartości średniej sygnału – analogowy sposób przekazywania informacji,
  • drugi, to natomiast zmiany częstotliwości oscylacji tego sygnału wokół wartości średniej – cyfrowy sposób komunikacji urządzeń.

Ideę opisywanej wyżej wymiany informacji, poglądowo przedstawia poniższe zdjęcie. Widnieje na nim:

  • przebieg przykładowego sygnału analogowego (4-20mA) – kolor czerwony,
  • wynikowy sygnał przesyłany w obwodzie wykorzystującym komunikację po protokole HART – kolor niebieski.

U dołu zdjęcia wyszczególniono, który fragment sygnału zinterpretowany zostanie jako logiczne „zero”, a który jako „jedynka”.

HART - przebieg sygnału - analogowy + cyfrowy
HART – przebieg sygnału – analogowy + cyfrowy

Jako, że protokół HART wdraża komunikację typu „Half-Duplex” (dwustronna, niejednoczesna), urządzenia mogą wysyłać zapytania, lub odpowiadać na nie. Zapytania kodowane są za pomocą sygnału cyfrowego i mogą dotyczyć zarówno danych pomiarowych, jak i parametrów pracy urządzeń (statusu połączenia, ID sensora, itd..).

Konfiguracja HART w PLC od BEDROCK

Firma BEDROCK wyposażyła swoje 3 moduły I/O (wchodzące w skład systemu sterownia PLC) w obsługę komunikacji wykorzystującej protokół HART. Są to:

  • SIO1.5 – pięciokanałowy moduł wejść/wyjść analogowych;
  • SIO6.20 – dwudziestokonanałowy moduł wejść analogowych;
  • SIOU.10 – dziesięciokanałowy moduł uniwersalny (cyfrowo/analogowy) wejść/wyjść.

Całkowitej konfiguracji komunikacji po protokole HART dokonuje się w dwóch środowiskach programowania PLC od BEDROCK:

  • BEDROCK IDE – podstawowym oprogramowaniu konfiguracyjnym wykorzystywanym w celu budowy programu dla PLC, mapowania zmiennych dla wejść/wyjść itp…;
  • BEDROCK Field Device Tool – środowisku służącym do wynajdowania w sieci urządzeń komunikujących się za pomocą HART oraz do zarządzania ich sterownikami.

Działania w ramach dwóch powyższych programów opisano niżej.

Niezbędne kroki w BEDROCK IDE

Jeśli BEDROCK IDE to nowe środowisko dla Ciebie, podstawowe informacje odnośnie jego obsługi możesz znaleźć w innych artykułach od nas.

Podstawowym krokiem w konfiguracji za pomocą BEDROCK IDE jest (jak zawsze):

  • wybór odpowiedniego rodzaju kontrolera,
  • przyporządkowanie do niego właściwej magistrali (BMI),
  • zapełnienie magistrali faktycznie posiadanymi modułami, w celu umożliwienia ich dalszej konfiguracji.

Następnie, po wyborze dowolnego z 3 wyżej wymienionych modułów I/O (w tym przypadku posłużono się SIOU.10) pojawia się jego okno konfiguracyjne.

Pierwszym wymaganym ustawieniem jest dostosowanie opcji „Mode for Channel xx” w zakładce „SIOU.10 Parameters”. W zależności od przeznaczenia danego kanału należy wybrać opcję „4-20mA input with HART” lub analogiczną ze słowem „output”.

Tryb pracy dla danego knału modułu wejść wyjść
Tryb pracy dla danego knału modułu wejść wyjść

Następnie, w przypadku ustawień komunikacji HART, należy przejść do zakładki „HART Device Data I/O Mapping” i przypisać wszystkie interesujące nas parametry do zmiennych. Zmienne te mogą zostać następnie użyte w programie dla PLC. Liczba dostępnych do zmapowania parametrów jest długa. Dotyczą one zarówno informacji na temat mierzonych sygnałów (Runtime Data), jak i danych konfiguracyjnych dla danego kanału (Configuration Data). Po przypisaniu zmiennej do danego parametru można następnie pokazać jej wartość w programie lub przesłać dalej (np. po protokole OPC UA).

Mapowane zmienne HART
Mapowane zmienne HART

Narzędzie BEDROCK Field Device Tool

Bedrock Field Device Tool (FDT) zapewnia możliwość konfiguracji i zarządzania zarówno inteligentnymi urządzeniami pracującymi w terenie, jak i modułami I/O Bedrock, które obsługują protokół komunikacyjny HART.

Bedrock Field Device Tool jest aplikacją opartą na technologii FDT. Umożliwia ona użytkownikowi skanowanie swojego środowiska w poszukiwaniu kart sieciowych, BMI, sterowników, modułów SIO i osobnych sensorów. Zaprojektowano ją tak, aby maksymalnie skrócić czas tworzenia projektów, umożliwiając użytkownikowi na przykład automatyczne skanowanie w poszukiwaniu urządzeń.

Czym jest technologia FDT

FDT to rozwiązanie które standaryzuje interfejsy komunikacyjne pomiędzy urządzeniami pomiarowymi pracującymi w terenie. W myśl tej technologii, każde urządzenie pomiarowe posługuje się własnym plikiem konfiguracyjnym – sterownikiem – nazywanym DTM. Pliki te mają jednorodną budowę i jednoznacznie opisują to, w jaki sposób urządzenie wysyła i odbiera dane.

Od strony systemu zarządzającego tymi urządzeniami, instalowana jest aplikacja, która również spełnia założenia powyższego standardu. W tym przypadku jest to BEDROCK Field Device Tool. Od teraz, posiadając sterowniki do urządzeń pomiarowych pracujących na terenie fabryki, można zarządzać nimi z jednego miejsca.

FDT zapewnia łatwy dostęp do danych pomiarowych niezależnie od tego, kto jest producentem czujnika lub jaki protokół komunikacyjny jest wykorzystywany.

W ramach środowiska BEDROCK Field Device Tool wyróżnić można dwa rodzaje plików DTM:

  • komunikacyjne DTM oraz gateway DTM dostarczane przez BEDROCK Automation, zapewniające interfejs do urządzeń BEDROCK w sieci użytkownika. Bedrock wyposaża swoją aplikację w DTM dla interfejsów sieciowych, BMI, własnych kontrolerów oraz modułów I/O;
  • DTM udostępniające interfejs i umożliwiające konfigurację urządzeń firm trzecich, które obsługują HART. Te pliki można uzyskać od producenta danego urządzenia.

DTM dostarczane przez BEDROCK i ich rola

Konfigurując narzędzie BEDROCK Field Device Tool można napotkać 3 rodzaje „fabrycznych” DTM od BEDROCK istniejących w celu zarządzania komponentami sterownika. Opisano je pokrótce poniżej.

  • Bedrock Ethernet-SCC Comm DTM – reprezentuje sieć, w której znajdują się kontrolery BEDROCK. Sterownik ten zarządza komunikacją z kontrolerami.
  • Bedrock SCC-BlackFabric Gateway DTM – pozwala na odbiór informacji dotyczących diagnostyki pracy kontrolerów.
  • Bedrock SIO-Hart DTM – udostępnia zarówno informacje odbierane przez dany moduł I/O BEDROCK, jak i dane o jego statusie.

Podstawy konfiguracji BEDROCK FDT

Przy konfiguracji właściwego projektu, należy przede wszystkim pamiętać o instalacji wszystkich wymaganych DTM od posiadanych urządzeń pomiarowych. Ich obecność jest niezbędna do skonfigurowania komunikacji z modułami I/O od BEDROCK.

Jeśli przeprowadzono instalację potrzebnych komponentów, należy otworzyć okno BEDROCK FDT i wybrać nowy projekt.

Na samym początku zaleca się wybór opcji „Update Catalogue” pokazanej niżej. Pozwala ona na załadowanie wszystkich nowo zainstalowanych plików DTM. Dodatkowo, dla początkujących użytkowników, pomocną może być opcja „Filter on Allowed”, która ukryje wszystkie DTM urządzeń, które nie mogą być użyte w danej chwili. Zwiększa to przejrzystość okna programu BEDROCK FDT.

Bedrock Field Device Tool - protokół HART
Bedrock Field Device Tool – protokół HART

Kolejny krok to wybór Bedrock Communication DTM (Ethernet-SCC Comm DTM) z listy. Zapewni ona komunikację z kontrolerami BEDROCK w sieci wewnętrznej. Dla niej należy wskazać odpowiedni interfejs karty sieciowej komputera, który będzie odpowiedzialny za komunikację PLC ze stacją roboczą PC.

Bedrock Field Device Tool - konfiguracja krok 2
Bedrock Field Device Tool – konfiguracja krok 2
Bedrock Field Device Tool - konfiguracja krok 3
Bedrock Field Device Tool – konfiguracja krok 3

Kolejny etap to wybór plików Bedrock SCC-BlackFabric Gateway DTM reprezentujących połączenia z konkretnym kontrolerem BEDROCK. Można to zrobić zarówno ręcznie, jak i automatycznie. Na poniższym filmie zaprezentowano automatyczny sposób wykrywania i dodawania kontrolerów do projektu.

Co więcej, w dalszej części filmu pokazano, jak automatycznie znaleźć posiadane moduły I/O obsługujące protokół HART, na magistrali BEDROCK. W przypadku ich ręcznego dodawania, należałoby dla każdej posiadanej BMI sprawdzić, które gniazdo zajmuje każdy moduł, a następnie wskazać je ręcznie w programie. Dzięki opcji „Scan nad Create” można natomiast bardzo uprościć ten proces. Program sam wyszuka odpowiedni komponent na BMI.

Dodawanie urządzeń w BEDROCK FDT

W przypadku projektowania rzeczywistego rozwiązania, po wyborze z drzewka projektu właściwego modułu I/O, możliwe jest przyporządkowanie do niego urządzeń pomiarowych od dostawców trzecich. Całość znów może przebiegać zarówno ręcznie, jak i automatycznie.

Po więcej informacji można odwołać się do instrukcji użytkownika.

Zalety stosowania protokołu HART

Podstawową zaletą jaką oferuje protokół HART w systemach kontroli PLC jest oczywiście rozszerzenie spektrum przesyłanych informacji. Od teraz zamiast jednej wartości mierzonej, czujniki i inne urządzenia polowe mogą udostępniać szereg danych na temat stanu swojej pracy.

Kolejną rzeczą wartą podkreślenia jest fakt, że protokół HART wykorzystuje taką samą infrastrukturę przewodową, jak standardowe obwody analogowe. Eliminuje się tu więc konieczność wymiany okablowania w przypadku przejścia na komunikację po tym protokole.

Często warunkiem, który pozwala na implementację protokołu HART na obiekcie przemysłowym jest jedynie wymiana modułu wejść analogowych sterownika PLC. W przypadku sterownika BEDROCK, użytkownik ma do wyboru aż 3 moduły I/O, które różnią się ilością wejść oraz funkcjonalnością. Pozwala to dobrać produkt według własnych, indywidualnych potrzeb.

Istnienie technologii takich jak FDT pozwala na duże uproszczenie konfigurowania komunikacji z wykorzystaniem protokołu HART. Wykorzystując ujednoliconą formę sterowników dla urządzeń (pliki DTM) oraz oprogramowanie wspierające FDT (jak BEDROCK Field Device Tool) znaczna część konfiguracji może przebiegać automatycznie.

Narzędzia programistyczne od BEDROCK Automation są darmowe. Użytkownik może je pobrać ze strony producenta w celu przetestowania możliwości pakietu.

Aby otrzymać odpowiedzi na pytania odnośnie zamieszczonych tu treści, lub ofertę handlową na produkty od BEDROCK Automation, napisz do nas na adres e-mail: sterowniki@elmark.com.pl .