Wprowadzenie do Hart - protokół komunikacyjny zdalnego adresowalnego przetwornika autostradowego

Korzyści płynące z możliwości rozmowy dwóch maszyn (lub ich komponentów) były oczywiste dla ekspertów w dziedzinie automatyki przemysłowej i sterowania, na długo przed tym, jak Internet rzeczy (IoT) stał się głównym nurtem. Wartości w czujniku temperatury w sercu wału korbowego wysyłającym pomiary do sterowania przekaźnikiem napędu silnika itp. Były jasne, a jednym z protokołów komunikacyjnych użytych do osiągnięcia tego był protokół HART.

Dzięki ponad 30 milionom opartych na nim urządzeń, zainstalowanych na całym świecie, protokół HART jest uważany za najpopularniejszy protokół w automatyce przemysłowej, a dzisiejszy artykuł zapewni przegląd tego, co czyni go tak wyjątkowym. Zbadamy jego funkcje, aplikacje i ulepszone wersje, takie jak WirelessHART.

Przegląd

Protokół HART (Highway Addressable Remote Transducer) jest jednym z najpopularniejszych otwartych protokołów komunikacyjnych stosowanych w automatyce przemysłowej do wysyłania i odbierania informacji cyfrowych za pośrednictwem okablowania analogowego między urządzeniami inteligentnymi a systemami sterowania. Ten protokół jest rozwinięciem protokołu komunikacji szeregowej, takim jak RS485 i zdarzenie, do którego jest również popularnie używany w przemyśle.

Został opracowany przez firmę Emerson w latach 80-tych jako zastrzeżony protokół komunikacyjny w celu rozwiązania problemów w istniejącym protokole komunikacyjnym 4–20 mA, który mógł przesyłać tylko jeden parametr lub wartość mierzoną. Dzięki HART, wysiłki związane z automatyzacją przemysłową mogą osiągnąć dwukierunkową komunikację, która naprawiłaby wady 4-20 mA, ale także zachowała swoją infrastrukturę, ponieważ protokół HART może wysyłać sygnały cyfrowe poprzez nakładanie ich na sygnały analogowe bez zniekształceń i zakłóceń.

Efektem powyższego jest wytworzenie dwóch jednoczesnych kanałów komunikacyjnych: sygnału analogowego 4-20mA oraz sygnału cyfrowego. To połączenie powoduje, że protokół nazywany jest protokołem hybrydowym. Typowe aplikacje, takie jak urządzenia pomiarowe, mogą wykorzystywać sygnał 4–20 mA do wysyłania głównej wartości mierzonej i wykorzystywać nałożony sygnał cyfrowy do wysyłania informacji.

Obsługa urządzeń opartych na 4-20 mA oznaczała, że ​​firmy mogły nadal używać swojego starszego sprzętu. To, wraz ze zmianą protokołu na „otwarty”, podniosło poziom adopcji protokołu, aż stał się faktycznym standardem w branży.

Działanie protokołu komunikacyjnego HART

Komunikacja HART zachodzi między dwoma urządzeniami obsługującymi HART, zwykle inteligentnym urządzeniem polowym i systemem sterowania lub monitorowania. Jak opisano wcześniej, urządzenia oparte na protokole transmitują sygnał analogowy przy użyciu istniejącego podejścia 4-20mA, a sygnały cyfrowe nakładając sygnał (jako sygnał prądu przemiennego) na sygnał analogowy 4-20mA, używając kluczowania zmiany częstotliwości Bell 202 (FSK).

Procedura FSK polega na nałożeniu na siebie fal sinusoidalnych dwóch częstotliwości, zazwyczaj 1200 Hz i 2200 Hz, które reprezentują bity (odpowiednio 1 i 0) przesyłanych danych. Użycie FSK zapewnia, że ​​średnia wartość dwóch częstotliwości jest zawsze zerowa, dzięki czemu sygnał cyfrowy nie ma wpływu na sygnał analogowy.

Tryby konfiguracji sieci

Aby sprostać potrzebom różnych aplikacji, urządzenia obsługujące protokół HART można skonfigurować do pracy w dwóch głównych trybach;

1. Tryb punkt-punkt
2. Tryb Multi-Drop

1. Tryb sieci punkt-punkt

W trybie punkt-punkt sygnały cyfrowe są nakładane na prąd pętli 4–20 mA w taki sposób, że zarówno prąd 4–20 mA, jak i sygnał cyfrowy mogą być wykorzystywane do przesyłania komunikatów między urządzeniem nadrzędnym i podrzędnym. Stanowi to typowe zastosowanie protokołu, z drugorzędnymi zmiennymi i danymi, które mogą być używane do celów monitorowania, konserwacji i diagnostyki, wymieniane przez sygnały cyfrowe, podczas gdy sygnały sterujące są przesyłane przez analogową połowę protokołu. Ilustracja konfiguracji sieci punkt-punkt jest przedstawiona na poniższym obrazku.

2. Tryb sieci Multi-Drop

Tryb konfiguracji sieci Multi-Drop umożliwia podłączenie kilku urządzeń do tej samej pary przewodów w sposób podobny do protokołów opartych na adresach, takich jak i2c. Komunikacja w trybie multi-drop jest całkowicie cyfrowa, ponieważ komunikacja przez analogowy prąd pętli jest wyłączona, ponieważ prąd płynący przez każde z urządzeń jest ustalony na minimalną wartość wystarczającą do działania urządzenia (zwykle 4 mA). Konfiguracje sieci z wieloma kroplami są zwykle używane w aplikacjach sterowania nadzorczego, które są szeroko rozstawione, jak w przypadku zbiorników i rurociągów. Konfiguracja sieci Multi-drop jest przedstawiony na obrazku poniżej.

Tryby komunikacji

Ogólnie, do komunikacji w ramach protokołu HART, jedno urządzenie w sieci, zwykle rozproszony system sterowania lub PLC, musi być wyznaczone jako nadrzędne, podczas gdy inne, zwykle urządzenia polowe, takie jak czujniki lub siłowniki, są określane jako podrzędne.

Jednak sposób komunikacji urządzeń podrzędnych z urządzeniem nadrzędnym zależy od trybu komunikacji, na jaki skonfigurowana jest sieć. Sieć urządzeń zgodnych z protokołem HART może być skonfigurowana do komunikacji w dwóch trybach, a mianowicie;

1. Tryb komunikacji żądanie-odpowiedź
2. Tryb zdjęć seryjnych

1. Tryb komunikacji żądanie-odpowiedź

W trybie komunikacji żądanie-odpowiedź urządzenia slave przesyłają informacje tylko wtedy, gdy żądanie jest wysyłane przez urządzenie główne. Chociaż ten tryb ma swoje wady, zwłaszcza zmniejszoną prędkość komunikacji (2-3 aktualizacje danych na sekundę), pomaga zachować prostotę i efektywność protokołu oraz łatwość implementacji.

2. Tryb zdjęć seryjnych

Aby zrobić miejsce na zróżnicowanie wymagań aplikacji, protokół ma inny tryb komunikacji zwany trybem „Burst”. W tym trybie urządzenia slave mogą wysyłać pojedynczą informację w sposób ciągły, bez konieczności ponawiania żądań ze strony mastera. Ten tryb zapewnia większą prędkość komunikacji z maksymalnie 3-4 aktualizacjami na sekundę i jest zwykle używany w scenariuszach, w których więcej niż jedno urządzenie HART jest wymagane do nasłuchiwania komunikacji z pętli HART.

Aby umożliwić monitorowanie zewnętrzne, wymagane w większości zastosowań przemysłowych, oba tryby komunikacji obsługują do dwóch urządzeń nadrzędnych określonych jako główny i pomocniczy. Główny układ nadrzędny, jak pokazano na powyższym obrazku, jest zwykle głównym systemem sterowania / monitorowania, podczas gdy drugi nadrzędny jest zwykle urządzeniem takim jak podręczne terminale zwane komunikatorem HART, które jest podłączone do pętli HART tylko na krótki czas.

Korzyści

Niektóre zalety protokołu HART w porównaniu z innymi w tej klasie obejmują;

1. Komunikacja dwukierunkowa

Wykorzystanie np. Sygnału analogowego 4-20mA pozwala na przepływ informacji tylko w jednym kierunku (nadajnik do odbiornika). Dzięki komunikacji HART dane mogą podróżować w obu kierunkach.

2. Nowe rodzaje informacji

Tradycyjne kanały komunikacyjne, takie jak 4-20mA, pozwalają na przesyłanie tylko jednej zmiennej procesowej bez miejsca na walidację, ale dzięki HART możesz uzyskać do 40 dodatkowych informacji wraz ze zmienną procesową.

Niektóre przykłady dodatkowych informacji, które można zebrać z urządzeń opartych na protokole HART:

1. Stan urządzenia i alerty diagnostyczne
2. Zmienne procesowe i jednostki
3. Prąd pętli i zakres%
4. Podstawowe parametry konfiguracyjne
5. Producent i etykieta urządzenia

Korzystając z kombinacji tych dodatkowych informacji, urządzenia HART mogą samodzielnie zgłaszać problemy z ich konfiguracją lub działaniem do urządzenia nadrzędnego / hosta. Pomaga to zmniejszyć potrzebę rutynowych przeglądów i może być bardzo przydatne do konserwacji predykcyjnej.

3. Urządzenia wielowymiarowe

W trybie cyfrowym jedna para przewodów może obsługiwać wiele zmiennych. Na przykład jeden nadajnik może obsługiwać sygnały wejściowe z wielu czujników

4. Niezależność dostawcy

Wszystko związane z HART zostało przekazane przez firmę Emerson do HART Communications Foundation, ponieważ takie standardy są otwarte i nie są specyficzne dla jednego dostawcy. Oznacza to, że nie ma niebezpieczeństwa uwięzienia w ograniczonych „standardach” specyficznych dla dostawcy lub regionalnych.

5. Szerokość dostaw

HART jest obecnie uważany za najpowszechniej obsługiwany protokół w przemyśle procesowym na całym świecie. Jest tak popularny, że prawdopodobieństwo, że urządzenie przemysłowe będzie zgodne z HART, wynosi prawie 1.

6. Interoperacyjność

Urządzenia i systemy hostów zgodne z HART mogą współpracować niezależnie od producenta, modelu i innych problemów z kompatybilnością / współdziałaniem, które są plagą sieci. Nawet urządzenia nadrzędne, które nie zostały zaprojektowane do obsługi informacji cyfrowych z urządzenia HART, nadal będą miały pewien poziom współdziałania z komunikacją za pośrednictwem sygnału analogowego 4–20 mA.

WirelessHART

Protokół HART ewoluował przez lata wraz z postępem technologicznym i zwiększonym wyrafinowaniem przypadków użycia. Jednym z ostatnich produktów jej ewolucji jest nowa technologia o nazwie WirelessHART, która oferuje zupełnie nowe możliwości bezprzewodowej transmisji informacji HART.

Jest to pierwszy ustandaryzowany (IEC62591) protokół komunikacji bezprzewodowej w dziedzinie automatyzacji procesów. W przeciwieństwie do zwykłego protokołu HART, na tym etapie obsługuje on tylko komunikację za pośrednictwem sygnału cyfrowego, ponieważ komunikacja analogowa nie jest zapewniona, ponieważ nie jest używany kabel połączeniowy.

Obecnie istnieją dwa różne rozwiązania WirelessHART, w tym;

1. Adapter WirelessHART do ulepszania istniejących urządzeń HART
2. Nadajnik WirelessHART z własnym zasilaniem.

WirelessHART może być używany w istniejących przewodowych przyrządach do zbierania ogromnej ilości informacji, które wcześniej znajdowały się w przyrządzie, a także zapewnia opłacalny, prosty i niezawodny sposób wdrażania nowych punktów pomiaru i kontroli bez kosztów okablowania.