Контроллер расширения KP-HART8.M3 (далее контроллер) предназначен для сбора данных с устройств, поддерживающих HART-протокол, и передачи этих данных по протоколу Modbus. Работает как штатный контроллер расширения для мультиплексора ETH-HART-MUX64.M3, обеспечивающего обработку до 64 каналов HART в параллельном режиме с поддержкой протокола HART IP.

Обозначение контроллера при заказе: Контроллер расширения КР-HART8.М3.1, где последняя цифра — тип исполнения (1 или 2) по диапазону температуры эксплуатации.

Контроллер обеспечивает одновременный опрос всех 8 каналов. Если к каналу контроллера подключено больше одного HART-устройства, то осуществляется циклический опрос этих устройств. В случае подключения одного HART-устройства в канал и назначения ему адреса 0 выходной токовый сигнал устройства может изменяться в диапазоне 4-20 мА. При подключении в канале от 2-х до 15-ти HART-устройств каждому из этих устройств присваивается отличный от нуля адрес в диапазоне от 1 до 15. При этом все устройства работают в режиме моноканала, т.е. выходной ток каждого из устройств зафиксирован значением 4 мА.

Все HART-каналы контроллера имеют гальваническую развязку, поэтому исключают взаимное влияние датчиков разных каналов друг на друга, даже в случае, если датчики гальванически связаны и имеют разные потенциалы.

Контроллер может быть настроен для передачи по протоколу Modbus RTU параметров и состояния подключенных HART-датчиков. В этом режиме контроллер функционирует автономно и сам занимается получением переменных с HART-датчиков по всем назначенным каналам и размещением полученных данных по карте регистров протокола Modbus.

С каждого HART-устройства возможно считывание статуса устройства, первичной переменной, 2-х, 4-х или 8-ми назначенных динамических переменных и кодов единиц измерения. Считывание более 4-х переменных возможно только для устройств, поддерживающих HART-протокол ревизии 6 и выше. Текущее значение полученных параметров может быть считано через интерфейсы RS-485-1, RS-485-2 или USB по протоколу Modbus RTU. Описание протокола Modbus приведено в Приложении 1. Помимо автономного сканирования HART-переменных и их распределения по Modbus-регистрам, KP-HART8.M3 имеет возможность трансляции любых HART-команд к подключенным HART-устройствам и передачу ответов на них. Это позволяет читать дополнительные данные с HART-устройств и модифицировать их параметры через Modbus-протокол. Этот режим доступен с любого интерфейса.

Контроллеры KP-HART8.M3 совместно с мультиплексором ETH-HART-MUX64.M3 функционируют как HART-IP шлюз с опросом до 64 каналов HART в параллельном режиме. Эта связка позволяет организовать многоканальный высокоскоростной опрос HART-устройств в параллельном режиме. Такая связка приборов является аппаратно-совместимым функциональным аналогом GW PL ETH/BASIC-BUS (OEM#2702321) и GW PL HART8-BUS (OEM#2702235) фирмы Phoenix Contact.

Настройка контроллера выполняется при помощи программы конфигурирования «Настройка КР (USB)» версии не ниже 1.0.0.126, доступной на сайте www.skbpa.ru. Программа конфигурирования позволяет:

• задать маску опрашиваемых каналов;
• назначить тип мастер-устройства (primary/secondary) отдельно для каждого канала;
• задать параметры обмена контроллера (порты RS-485-1, RS-485-2 или USB);
• изменять короткий адрес HART-устройств;
• переназначить динамические переменные HART-устройств;
• осуществлять мониторинг опрашиваемых переменных.

Электронная часть контроллера смонтирована на плате, помещённой в пластмассовый корпус для установки на DIN-рейку. Чертёж корпуса приведён в Приложении 2. На корпусе расположены 24 винтовые клеммы, 10 светодиодных индикаторов, разъём USB type C. К клеммам подключаются интерфейсные сигналы RS-485, HART-сигналы и внешний источник питания. Клеммы выполнены разъёмными с целью удобства подключения и замены. Также имеется возможность организации шины питания и связи RS-485 установкой шинных соединителей TBUS на DIN рельс (подробнее — раздел «Монтаж»). Через разъём USB производится подключение компьютера для настройки контроллера и опроса переменных.

Светодиодные индикаторы RS-485-1 и RS-485-2 указывают направление передачи TX/RX по каналу связи RS-485 (зелёный цвет соответствует приёму, красный — передаче). Светодиодные индикаторы HART1 … HART8 указывают направление передачи TX/RX по каналу связи HART (зелёный цвет соответствует приёму, красный — передаче).

Питание контроллера может осуществляться как от ПК или контроллера верхнего уровня по интерфейсу USB, так и от внешнего источника, поставляемого по дополнительному заказу.

Внешний источник питания может снабжать модуль питающим напряжением через клеммы «Uпит» или по шине TBUS через начальный/конечный коннектор. Блок питания должен удовлетворять следующим требованиям: выходное напряжение (9 … 28) В, мощность не менее 1 Вт.

Подключение датчиков с выходным HART-сигналом к контроллеру производится к неполярным клеммам HART. HART-вход контроллера подключается параллельно датчикам.

На схеме показаны два варианта подключения датчиков на канал.

Вариант 1. Подключение от 2-х до 15-ти HART-устройств с адресами от 1 до 15. При этом все устройства работают в режиме моноканала, т.е. выходной ток каждого из устройств фиксирован и равен 4 мА (использован канал HART1).

Вариант 2. Подключение одного HART-устройства с адресом 0 и выходным токовым сигналом 4-20 мА (использован канал HART5).

Контроллеры подключаются к ведущему устройству через интерфейсы RS-485-1 и/или RS-485-2.

Подключение контроллеров к ведущему устройству и их объединение по RS-485-1 возможно двумя способами:

• через шинный соединитель TBUS, устанавливаемый на DIN-рейку;
• через клеммы A и B интерфейса RS-485-1.

Установка соединителя TBUS на DIN-рейку показана в Приложении 3. Установка контроллеров на DIN-рейку и назначение контактов шинного соединителя (сигналы A и B интерфейса RS-485-1 и линии питания) приведены в Приложении 4.

Возможна одновременная работа с двумя ведущими устройствами по обоим интерфейсам: RS-485-1 и RS-485-2.

При подключении контроллеров по интерфейсам RS-485-1 (через клеммы) и RS-485-2 линии связи следует подключать к клеммам A и B ведущего устройства и контроллеров. Для линий связи следует применять специальный кабель типа «витая пара», причём при длине линии более 50 м рекомендуется применять экранированную витую пару. Схема соединений устройств на линии RS-485 должна быть последовательной (не лучевой), а экран (при наличии) должен заземляться только в одной точке.

Подключение контроллера к ПК производится через порт USB при помощи стандартного USB-кабеля с разъёмом «type-C» со стороны контроллера. Питание контроллера в данном случае осуществляется от ПК через USB-интерфейс. Подключение ПК к порту USB используется для первичной настройки контроллера при помощи программы «Настройка КР (USB)», входящей в комплект поставки и доступной на сайте производителя.

Контроллер монтируется на DIN-рейку ТН35-7.5 шириной 35 мм и высотой 7,5 мм, фиксация с помощью специальной защёлки снизу корпуса. Установка контроллера на DIN-рейку показана в Приложении 4. Демонтаж производится в обратной последовательности, предварительно оттянув защёлку отвёрткой с плоским шлицом. При установке нескольких контроллеров на одну DIN-рейку можно использовать общую шину для обеспечения питания контроллеров и связи по RS-485. Для этого на DIN-рейке монтируются шинные соединители (Приложение 3) и на них устанавливаются контроллеры, как показано на рисунке Приложения 4. При использовании внешнего источника питания контроллеров (подключаемых к шлюзу, но не использующих выход питания шлюза) линии питания и линии RS-485 подключаются к шинным соединителям через клеммники с любой стороны. Через эти же клеммники можно подключить шину на других DIN-рейках. Допускается соединять до 32-х контроллеров на одной шине. Мощность блока питания выбирается исходя из количества подключенных контроллеров и с учётом нагрузочной способности шинных соединителей — 8А/24В.

Для конфигурирования подключите контроллер к персональному компьютеру через интерфейс USB. Установите на ПК программу конфигурирования «Настройка КР (USB)». Для установки программы необходим ПК со следующими характеристиками: процессор P-100 (или выше); монитор с разрешением не менее 1024x768 pixel; память HD — не менее 10 Мбайт; операционная система — Microsoft Windows 7, 8, 8.1, 10, 11; USB-порт.

Для того, чтобы начать настройку параметров конфигурации KP-HART8, необходимо нажать кнопку «Установить связь». Для редактирования доступны следующие группы параметров:

1. «Описание KP-HART-8» и «Режим работы порта RS-485-1» в разделе «Контроллер»;
2. «Настройка порта RS-485-1»;
3. «Настройка порта RS-485-2»;
4. «Формат выдачи переменных Modbus»;
5. «Параметры HART»;
6. «Настройка HART-устройств».

Детальное описание каждого из параметров разделов будет появляться в нижней части экрана программы после выбора параметра.

Отдельно стоит обратить внимание на параметр «Настройка каналов опроса». После нажатия на кнопку (рис. 7) пользователь получит возможность добавлять HART-устройства в опрос или исключать их из опроса (рис. 8).

Для каждого канала можно выбрать свой собственный режим опроса датчиков. Можно выбрать тип HART-мастера, количество повторов для определения состояния отсутствия связи с датчиком, активировать или деактивировать пакетный режим, задать количество опрашиваемых переменных.

Если KP-HART8.M3 сконфигурирован для вычитывания 8-ми переменных, то необходимо назначить коды переменных для считывания. Для этого необходимо перейти в режим изменения списка HART-устройств и в появившемся окне назначить требуемые переменные (см. рис. 9). Коды переменных зависят от типа устройства и чаще всего отличаются у разных производителей, для чего необходимо использовать техническую документацию на прибор. Существует несколько общих кодов, которые присутствуют в каждом HART-устройстве:

• 243d — время жизни батареи (float в днях);
• 244d — процент шкалы;
• 245d — ток в токовой петле;
• 246d — первая переменная PV (назначенная в HART-устройстве);
• 247d — вторая переменная SV (назначенная в HART-устройстве);
• 248d — третья переменная TV (назначенная в HART-устройстве);
• 249d — четвёртая переменная QV (назначенная в HART-устройстве).

Также программа настройки позволяет производить смену адреса и назначение динамических переменных HART-устройств.

Описание протокола Modbus RTU и алгоритма трансляции HART-команд через шлюз (версия КР 1.0, версия ПО 1.0).

Формат кадра: ADDR, FUNC, DATA, DATA, … CRCL, CRCH — адрес КР (диапазон адресов для КР — 00h…F7h), запрашиваемая функция, передаваемые данные (зависят от функции, могут отсутствовать), контрольная сумма.

03 Read Holding Registers (Чтение системных регистров). КР имеет 672 двухбайтных регистра с адресами 100h…39Fh, содержащих информацию о настройках КР, и 8 групп по 128 двухбайтных регистра с адресами (00h…7Fh) + 1000h * n (где n — номер канала) для шлюза HART-команд. Эта команда доступна для чтения при любом адресе КР. Описание регистров: таблица 1. Одновременно можно запросить не более 125 регистров. Данные регистров в ответе передаются как 2 байта на регистр: для каждого регистра первый байт содержит старшие биты, второй байт содержит младшие биты.

04 Read Input Registers (Чтение HART регистров). КР имеет 3009 двухбайтных регистра с адресами 00h…BC0h, содержащих информацию о группировке HART регистров, статусе контроллера и значениях переменных HART-устройств. Эта команда доступна для чтения при любом адресе КР. Описание регистров: таблицы 2, 3. Адресация регистров зависит от количества считываемых переменных, количества опрашиваемых устройств и заданного порядка группировки переменных по регистрам. Одновременно можно запросить не более 125 регистров.

Статус HART-устройств и коды единиц измерения соответствуют стандарту HART протокола. Значение FFh обоих байтов статуса HART-устройств означает отсутствие связи с данным HART-устройством. Значение FFFEh статуса HART-устройств означает отсутствие достоверных данных от HART-устройства (при старте KP-HART8).

06 Preset Single Register (Запись единичного регистра). Запись разрешена в регистры 100h-10Eh и 120h-39Fh по любому адресу КР через интерфейс USB (режим конфигурирования) при заданном значении 03E8h регистра 0FFh. При сбросе контроллера значение регистра 0FFh устанавливается в 0, тем самым запрещая запись в регистры настройки. Запись в регистры 200h и (00h…7Fh) + 1000h * n (где n — номер канала) может осуществляться как через интерфейс USB в режиме конфигурирования, так и через интерфейсы RS-485-1 и RS-485-2 по адресу КР, заданному в регистре 101h и 103h. Запись в регистр 200h значения 03E8h вызывает программный сброс КР и обновление всех настроек из EEPROM. Запись в регистр 200h значения 07D0h вызывает программный сброс КР и установку «по умолчанию» всех настроек (в том числе и в EEPROM).

16 (10 Hex) Force Multiple Register (Запись группы регистров). Доступны по записи регистры, описанные для команды 06 (Preset Single Register). Возможна запись сразу 125 регистров.

Таблица 3. Статус контроллера КР-HART8.

Таблица 4. Статус канала КР-HART8.

Таблица 5. Статус HART-переменных.

В контроллере КР-HART.М3 имеется возможность трансляции любых HART-команд через Modbus-протокол. Для этого есть регистровый шлюз с адресами (00h…7Fh) + 1000h * n (где n — номер канала). Запись в шлюз осуществляется Modbus-командой 6 или 16, а чтение командой 3. Обработка HART-команды осуществляется контроллером без остановки сканирования заданных HART-переменных, внутри текущего цикла опроса HART-устройств. Контроль выполнения записанной HART-команды осуществляется мониторингом регистра 00h + 1000h * n (см. таблицу 6).

Для составления правильных HART-команд и разбора ответов необходимо использовать описания применяемых HART-устройств (какие HART-команды они поддерживают) и документацию на HART-протокол: HCF-SPEC-81, HCF-SPEC-99, HCF-SPEC-127, HCF-SPEC-151, HCF-SPEC-183, HCF-SPEC-307, HCF-SPEC-500. Данную документацию можно найти на сайте организации HART Communication Foundation: http://www.hartcomm.org.

Алгоритм работы со шлюзом следующий: 16 Modbus-командой записывается HART-команда согласно таблице 6 (можно использовать и 6 Modbus-команду, но запись в регистр 00h + 1000h * n должна быть последней — эта запись запускает HART-команду в работу, поэтому сама HART-команда должна уже лежать в регистрах). Затем читаем 3 Modbus-командой регистр 00h + 1000h * n — как только 7 бит ст. байта встал в единицу — ответ пришёл. При этом, если 6 бит равен единице, то за заданное количество повторов (задаётся в регистре (122h + 50h * (n − 1))) ответ от HART-устройства не получен; если 6 бит равен нулю, то ответ получен и его можно считать (при этом биты 0-5 старшего байта регистра 00h + 1000h * n будут содержать данные о том, сколько регистров надо считать, начиная с адреса 01h + 1000h * n, для получения всех байт ответа).

Время ожидания ответа может отличаться от запроса к запросу. На это может влиять отсутствие связи с одним или несколькими HART-устройствами, количество повторов (регистр (122h + 50h * (n − 1))). Если устройство, с которым необходимо связаться, ещё не участвовало в опросе, то время ожидания ответа будет несколько больше обычного (к устройству уйдёт две команды: одна команда с номером 0 для получения длинного адреса и затем запрошенная пользователем команда). Исходя из вышесказанного, лучше полагаться на состояние 7-го бита старшего байта регистра 00h + 1000h * n — по его состоянию пользователь сможет точно определить готовность ответа.

Пример обмена (отправка hart-команды 01h — чтение первичной переменной, короткий адрес — 04h, канал №1):

Пишем в KP-HART8 (адрес клиента Modbus = 1, номер Modbus-команды = 16):
Запрос: 01h 10h 10h 00h 00h 02h 04h 00h 04h 01h 00h CRC
Ответ: 01h 10h 10h 00h 00h 02h CRC

Начинаем читать из KP-HART8:
Запрос: 01h 03h 10h 00h 00h 01h CRC
Ответ: 01h 03h 02h 00h 04h CRC

Анализ показывает, что 7-ой и 6-ой биты стоят в нуле — ответ ещё не готов, продолжаем читать:
Запрос: 01h 03h 10h 00h 00h 01h CRC
Ответ: 01h 03h 02h 85h 04h CRC

Здесь мы видим, что 7-ой бит теперь равен 1, 6-ой бит равен 0, а значение, лежащее в битах 0-5, равно 5. Это значит, что ответ готов и пользователь должен запросить 5 регистров, начиная с адреса 01h + 1000h * n. Если бы в регистре 00h + 1000h * n было записано C0h 04h, то это было бы сигналом, что ответ так и не был получен.

Запрос: 01h 03h 10h 01h 00h 05h CRC
Ответ: 01h 03h 0Ah 01h 07h 00h D8h 05h C2h E2h D6h 00h 00h CRC

Таким образом, мы получили ответ от HART-устройства с коротким адресом 04h на запрос команды 01h. Ошибка чтения устанавливается, если HART-устройство не ответило за заданное число попыток или в ответе была ошибка CRC.