16. INTELIGENTNÍ SENZOR S ROZHRANÍM HART V průmyslu jsou často nasazovány inteligentní senzory propojené do centralizovaných nebo distribuovaných systémů pomocí komunikačních sběrnic. Jednou z populárních eventualit je sběrnice HART, která má některé specifické výhody (zpětná kompatibilita proudové smyčky s přidanou hodnotou digitální komunikace, dvoubodový nebo adresovaný multidrop režim, atd.). V úloze je prezentován univerzální převodník pro senzory teploty s rozhraním HART. Úkol měření Seznamte se s návodem k použití univerzálního snímače teploty Rosemount 3044C a s dalšími předloženými materiály, zejména popisem sběrnice HART. Vyzkoušejte různé režimy činnosti senzoru 3044C a komunikačního adaptéru (autonomní monitor sběrnice nebo modemový režim s programem v PC). Pomocí osciloskopu pozorujte průběhy komunikačních signálů na sběrnici HART. Pomocí ovládacího programu v PC nastavte různé režimy činnosti senzoru 3044C (měření a zobrazení odporu, napětí, teploty v C, F, K). Vyzkoušejte adresovaný i neadresní režim komunikace. U dvoubodového režimu pozorujte úroveň proudu ve smyčce 4-20 ma, která je řízena naměřenou hodnotou snímané veličiny. Vyzkoušejte možnost připojit k senzoru různá teplotní čidla (odporový teploměr Pt 100, termočlánek J nebo K) a ve vyhřívané vodní lázni v několika bodech proměřte linearitu závislosti výsledně zobrazené hodnoty. A B ma-metr Zdroj napětí 24V 250 Ω Displej C HART modem / Bus monitor Zdroj 9V TC -J Pt 100 Rosemount 3044C Osciloskop RS 232 PC + software Obr. 16.1 Zapojení přípravku 104
Postup měření K napájecím (a zároveň výstupním a komunikačním) svorkám inteligentního senzoru Rosemount 3044C (označeny + a ) připojte zdroj napětí 24 V podle obr. 16.1. V napájecí proudové smyčce by měl být zařazen odpor min. 250 Ω, má-li fungovat digitální komunikace. (Napájecí napětí má být v rozsahu 19 55 V.) K signálovým vstupům připojte nejprve odporový teploměr Pt 100. Připojte komunikační adaptér HART k počítači pomocí sériového kabelu (RS-232), neníli již připojen. (Pozor: mezi PC a komunikačním adaptérem musí být pouze prodlužovací kabel, tj. nikoliv nulový modem, s překřížením vodičů Rx a Tx!) Vyzkoušejte činnost komunikátoru jako monitoru sběrnice (viz návod k použití níže). Připojte komunikátor mezi body A-B nebo B-C proudové smyčky podle obr. 16.1. Pozorujte průběhy komunikačních signálů na sběrnici osciloskopem. Přepněte režim činnosti komunikátoru na HART modem. Spusťte řídicí program na pracovní ploše Windows připojeného počítače (viz návod k programu níže). Inicializujte komunikaci se senzorem s výchozí adresou 0. Není-li inicializace úspěšná, zkuste další adresy v rozsahu 1 až 15. Vyzkoušejte možnosti programu (přepnutí zobrazovaného údaje v programu a na displeji senzoru). Není-li adresa senzoru nastavena na 0, změňte ji nyní na 0 přepsáním údaje v poli Short address a stiskem tlačítka Change s. address v řídícím programu, čímž uvedete senzor do režimu dvojbodové komunikace. V tomto režimu je proud ve smyčce řízen hodnotou měřené veličiny. Pozorujte na připojeném miliampérmetru změny proudu při ohřátí čidla. Ve vyhřívané vodní lázni se rtuťovým teploměrem změřte teplotu připojeným čidlem v několika bodech (do teploty 50 C). Potom místo Pt 100 připojte druhé čidlo teploty (termočlánek) a v menu Settings řídicího programu příslušně změňte typ snímače podle připojeného čidla. Vyměňte vodu za chladnou a opět proměřte teplotu v několika bodech. Popis systému Jedním z často používaných výstupních signálů průmyslových senzorů je tzv. proudová smyčka. Senzor je napájen po dvou přívodních vodičích a podle hodnoty měřené veličiny je senzorem regulován proud tekoucí smyčkou zdroj-spotřebič. Proud se obvykle mění v rozsahu 0-20 ma nebo 4-20 ma, který odpovídá plnému rozsahu měřené veličiny. Signál 4-20 ma umožňuje snadnou diagnostiku přerušení proudové smyčky (proud nižší než 4 ma nebo nulový vždy indikuje problém). Jako senzor je zde použit inteligentní převodník Rosemount 3044C, určený k vyhodnocování signálu z různých čidel teploty (jako např. 2, 3 nebo 4-vodičově připojený odporový snímač Pt 100, Pt 200, Pt 500, Ni 120, termočlánky typů B, E, J, K, R, S, T, dále obecné milivoltové a odporové vstupy). V představené úloze je čidlo (Pt 100 nebo termočlánek) připojeno 2-vodičově. V případě detekce poruchy nastaví tento inteligentní senzor proud ve smyčce na hodnotu vyšší než 20 ma nebo nižší než 4 ma lze konfigurovat. Kromě toho senzor může na displeji zobrazovat zprávu o poruše, např.: Fail = chyba při diagnostice, Snsr Fail = nepřipojené čidlo, Snsr Rnge = teplota mimo rozsah pro daný typ čidla, atd. 105
Digitální komunikace s tímto senzorem např. pro konfiguraci a vyčtení kalibračních dat může být v praxi prováděna pomocí ručního komunikátoru (často bývá označován jako Model 268 ), který není u této úlohy použit. Místo toho je možno stav senzoru řídit jednoduchým komunikačním adaptérem, který může pracovat ve dvou módech činnosti: jako jednoduchý monitor sběrnice s výstupem na displej nebo jako modem zprostředkující přístup na HART sběrnici z počítače PC přes sériové rozhraní RS-232. Modem poskytuje pouze přizpůsobení fyzické vrstvy sběrnice; za veškeré formátování zpráv, časování atd. zodpovídá komunikující program. Návod k použití komunikátoru a řídicího programu je uveden níže. Popis sběrnice HART Sběrnice HART původně vyvinutá firmou Rosemount a později publikovaná jako otevřený standard [16.1, 16.2] je určena pro inteligentní senzory s výstupem do proudové smyčky. Přenos dat může probíhat zároveň s normálním analogovým výstupem 4-20 ma superpozicí střídavého signálu 1200 Hz (log. 1) nebo 2200 Hz (log. 0). Střední hodnota komunikačních signálů je nulová, takže neovlivňuje stejnosměrnou hodnotu proudu ve smyčce (viz obr. 16.2). Obr. 16.2 Střední hodnota komunikačních signálů V takzvaném dvojbodovém režimu (nastavená adresa senzoru je 0) funguje zároveň analogová proudová smyčka a digitální komunikační signály. V tzv. multi-drop režimu může být ke sběrnici připojeno více senzorů najednou. Všechny senzory v tom případě nastaví proud na 4 ma a komunikují s řídicím počítačem výhradně digitálně podle rozlišovací adresy (1-15). Komunikace s řídicím počítačem probíhá systémem dotaz-odpověď rychlostí asi 2 zprávy za sekundu. (Existuje rovněž tzv. burst režim, kdy senzor neustále vysílá data, dokud není přerušen řadičem.) Sběrnice HART umožňuje přítomnost dvou masterů (řadičů sběrnice). Typicky je jedním z nich řídicí počítač a druhým může být ruční komunikátor pro rutinní konfiguraci, údržbu a kontrolu. 106
Poznámka: Modernější verze protokolu HART pracuje s tzv. dlouhou adresou. Ta je pro každý exemplář senzoru celosvětově unikátní a skládá se z kódu výrobce, typu a sériového čísla. Lidská obsluha se touto adresou nemusí zabývat. Každý modernější senzor musí tuto adresu nahlásit řídícímu počítači při příkazu 0 Read unique identifier (v krátkém formátu). Formát zprávy předávané po sběrnici HART je zobrazen na obr. 16.3. Preamble Start char. Address Command Byte count [Status] [Data] Checksum Obr. 16.3 Struktura zprávy sběrnice HART Význam jednotlivých polí rámce (zprávy): Preamble alespoň 3 byty s hodnotou 0xFF (samé jedničky), sloužící pro synchronizaci. Start character 1 byte indikuje směr (např. Master->Slave), krátký / dlouhý formát rámce a burst mode. Address 1 bit pro adresu řadiče (primární, nebo sekundární tj. ruční komunikátor); dále adresa senzoru v krátkém (4 bity) nebo dlouhém (38 bitů) formátu. Command 1 byte pro číslo příkazu (např.: 0 přečti jednoznačný identifikátor senzoru, 1 přečti hodnotu primární proměnné, 2 přečti hodnotu výstupního proudu a % rozsahu). Číslo příkazu je uvedeno i v odpovědi senzoru řadiči. Byte count 1 byte s počtem bytů přenášených jako status + data v následující sekci. Status v odpovědi senzoru na každý příkaz je indikován stav (ideálně: dva nulové byty) Data Eventuální data příkazu nebo odpovědi od senzoru (0-25 bytů). Checksum 1 byte, XOR všech předchozích bytů zprávy počínaje Start-character bytem. Poznámka: Použitelné příkazy (Commands) se dělí na tzv. univerzální příkazy (implementované všemi přístroji), jako např. 0 - přečti jednoznačný identifikátor; dále tzv. obecně použitelné příkazy (implementované většinou přístrojů), jako např. 41 proveď test vlastního stavu, a konečně na příkazy specifické pro daný typ senzoru. Podrobnější popis sběrnice HART je uveden např. v publikaci [16.1]. Návod k použití komunikátoru K počítači PC je přes sériové rozhraní RS-232 připojen HART komunikátor, který může sloužit jako jednoduchý autonomní monitor sběrnice (normální funkce) nebo jako HART modem. Na boku přístroje jsou dva mikrospínače, které dovolují ovládání funkcí. Po zapnutí napájení 9 V monitor sběrnice začne prohledávat jednotlivé adresy dokud nenalezne první přítomný přístroj. Pak začne na displeji zobrazovat tzv. primární hodnotu senzoru (primary variable). Postupným opakovaným stisknutím tlačítka Function lze zobrazit další informace o senzoru. Funkce dostupné pomocí tlačítka Function jsou: 1. přechod na další přístroj na následující adrese, 2. obrazení analogové hodnoty (proud smyčky) a % rozsahu, 3. zpráva uložená v senzoru, 4. zobrazení popisu a data aktualizace, 5. horní a dolní limit senzoru, 6. typ přenosové funkce a hranice rozsahu, 7. návrat do výchozí funkce (periodické zobrazování hodnot). 107
Pokud budou stisknuta obě tlačítka (Function a Reset), komunikátor se přepne do režimu HART modem, kdy pouze na fyzické úrovni převádí signál z RS-232 na signály HART. Veškeré časování komunikace, sestavení platných rámců, zajištění kontrolních součtů atd. zajišťuje řídicí program. Na PC je k dispozici jednoduchý řídicí program zaměřený hlavně na senzor Rosemount 3044C. Jeho hlavní obrazovka je na obr. 16.4. Funkce specifické pro typ 3044C - jako volba jednotek měřené veličiny nebo typ připojeného termočlánku - jsou ilustrovány na obr. 16.5. Je třeba poznamenat, že ne všechny volby jsou smysluplné (např. volba J-termočlánku nebo jednotek v mv, je-li připojen odporový teploměr). Nastavená komunikační adresa Počáteční identifikace Zobrazení primární hodnoty Změna komunikační adresy Konec Obr. 16.4 Hlavní obrazovka řídicího programu Obr. 16.5 Další funkce (pro typ senzoru Rosemount 3044C) 108
Literatura [16.1] HART A Technical Overview. [16.2] HART foundation website: http://www.hartcomm.org 109