Introducere în hart - protocol de comunicație cu traductor la distanță adresabil pe autostradă

Avantajele obținerii a două mașini (sau componente în interiorul lor) pentru a vorbi între ele au fost evidente pentru experții în automatizare și control industrial, cu mult înainte ca Internetul obiectelor (IoT) să devină mainstream. Valorile unui senzor de temperatură din inima unui arborelui cotit care trimitea măsurători pentru a controla releul de acționare a motorului etc. erau clare și unul dintre protocoalele de comunicații utilizate pentru realizarea acestuia era Protocolul HART.

Cu peste 30 de milioane de dispozitive bazate pe acesta, instalate în întreaga lume, Protocolul HART este considerat cel mai popular protocol în automatizarea industrială, iar articolul de astăzi va oferi o imagine de ansamblu asupra a ceea ce îl face atât de special. Vom examina caracteristicile, aplicațiile și versiunile sale actualizate, cum ar fi WirelessHART.

Prezentare generală

Protocolul Highway Addressable Remote Transducer (HART) este unul dintre cele mai populare protocoale de comunicații deschise utilizate în automatizarea industrială pentru a trimite și primi informații digitale prin cablare analogică între dispozitive inteligente și sisteme de control. Acest protocol este o avansare a protocolului de comunicare în serie, cum ar fi RS485 și eveniment la care este, de asemenea, utilizat în mod popular în industrii.

A fost dezvoltat de Emerson în anii 1980 ca un protocol de comunicație proprietar pentru a aborda defectele protocolului de comunicație existent 4-20mA, care nu putea transmite decât un singur parametru sau valoare măsurată. Cu HART, eforturile de automatizare industrială ar putea realiza comunicații bidirecționale care să remedieze dezavantajele 4-20mA, dar și să își păstreze infrastructura, deoarece Protocolul HART poate trimite semnale digitale prin suprapunerea acesteia pe semnalele analogice fără distorsiuni sau interferențe.

Efectul celor de mai sus este crearea a două canale de comunicare simultane: semnalul analogic 4-20mA și un semnal digital. Această combinație este motivul pentru care protocolul este denumit protocol hibrid. Aplicațiile tipice, cum ar fi dispozitivele de instrumentare, ar putea utiliza semnalul de 4-20 mA pentru a trimite valoarea primară măsurată și ar putea utiliza semnalul digital suprapus pentru a trimite informații.

Suportul pentru dispozitivele bazate pe 4-20 mA a însemnat că companiile ar putea continua să utilizeze hardware-ul lor vechi. Acest lucru, împreună cu protocolul devenind „Deschis”, a dus la ridicarea nivelurilor de adoptare ale protocolului, până când a devenit standardul de facto din industrie

Funcționarea protocolului de comunicare HART

Comunicarea HART are loc între două dispozitive HART, de obicei un dispozitiv inteligent de câmp și un sistem de control sau monitorizare. După cum s-a descris mai devreme, dispozitivele bazate pe protocol transmit semnal analogic utilizând abordarea existentă de 4-20mA și semnale digitale prin suprapunerea semnalului (ca semnal de curent alternativ) pe semnalul analogic de 4-20mA, utilizând tastarea de schimbare a frecvenței Bell 202 FSK) standard.

Procedura FSK implică suprapunerea undelor sinusoidale a două frecvențe, de obicei 1200Hz și 2200Hz, care reprezintă biții (1 și respectiv 0) ai datelor trimise. Utilizarea FSK asigură că valoarea medie a celor două frecvențe este întotdeauna zero, asigurându-se că semnalul analogic nu este afectat de semnalul digital.

Moduri de configurare a rețelei

Pentru a satisface nevoile diferitelor aplicații, dispozitivele din cadrul protocolului HART pot fi configurate pentru a funcționa în două moduri majore;

1. Modul punct-la-punct
2. Mod Multi-Drop

1. Mod de rețea punct la punct

În modul punct-la-punct semnalele digitale sunt suprapuse pe curentul de buclă de 4–20 mA în așa fel încât atât curentul de 4–20 mA, cât și semnalul digital pot fi utilizate în transmiterea mesajelor între comandă și sclav. Aceasta reprezintă aplicația tipică a protocolului, cu variabile și date secundare, care pot fi utilizate în scopuri de monitorizare, întreținere și diagnostic, fiind schimbate prin semnale digitale în timp ce semnale de control sunt trimise prin jumătatea analogică a protocolului. În imaginea de mai jos este prezentată o ilustrare a configurației rețelei punct-la-punct.

2. Mod de rețea Multi-Drop

Modul de configurare a rețelei Multi-Drop permite conectarea mai multor dispozitive pe aceeași pereche de fire într-un mod similar protocoalelor bazate pe adrese precum i2c. Comunicarea în modul multi-drop este complet digitală, deoarece comunicarea prin bucla analogică de curent este dezactivată, deoarece curentul prin fiecare dintre dispozitive este fixat la o valoare minimă suficientă doar pentru funcționarea dispozitivului (de obicei, 4mA). Configurațiile de rețea multi-drop sunt utilizate în mod obișnuit în aplicațiile de control de supraveghere care sunt spațiate pe scară largă, ca în fermele de tancuri și conducte. Configurația rețelei Multi-drop este ilustrat în imaginea de mai jos.

Moduri de comunicare

În general, pentru comunicațiile în cadrul protocolului HART, un dispozitiv din rețea, de obicei un sistem de control distribuit sau PLC, trebuie să fie desemnat ca Master, în timp ce alte dispozitive, de obicei dispozitive de câmp, cum ar fi senzori sau actuatori, sunt desemnate ca sclave.

Cu toate acestea, modul în care sclavii comunică cu masterul depinde de modul de comunicare la care este configurată rețeaua. O rețea de dispozitive compatibile cu protocolul HART poate fi configurată pentru a comunica în două moduri, și anume;

1. Mod de comunicare Solicitare-Răspuns
2. Foc continuu

1. Mod comunicare cerere-răspuns

În modul de comunicare cerere-răspuns, dispozitivele slave transmit informații numai atunci când o cerere este emisă de dispozitivul principal. În timp ce acest mod are dezavantajele sale, în special viteza de comunicare redusă (2-3 actualizări de date pe secundă), acesta ajută la menținerea protocolului simplu și eficient, ușor de implementat.

2. Mod rafală

Pentru a face loc variației cerințelor aplicației, protocolul are un alt mod de comunicare numit modul „Burst”. În acest mod, dispozitivele slave pot trimite o singură informație, în mod continuu, fără a fi nevoie de cereri repetate de la comandant. Acest mod oferă o viteză de comunicare mai mare cu până la 3-4 actualizări pe secundă și este de obicei folosit în scenarii în care este necesar mai mult de un dispozitiv HART pentru a asculta comunicarea din bucla HART.

Pentru a permite monitorizarea externă, dorită pentru majoritatea aplicațiilor industriale, ambele moduri de comunicare acceptă până la două master-uri definite ca primare și secundare. Masterul principal, așa cum este ilustrat în imaginea de mai sus, este de obicei sistemul principal de control / monitorizare, în timp ce masterul secundar este de obicei un dispozitiv, cum ar fi terminalele portabile, de exemplu HART Communicator, care este conectat doar la bucla HART pentru o perioadă scurtă de timp.

Beneficii

Unele dintre avantajele protocolului HART față de altele din clasa sa includ;

1. Comunicare bidirecțională

Utilizarea unui semnal analogic 4-20mA, de exemplu, permite fluxul de informații într-o singură direcție (emițător către receptor). Cu HART Communication, datele pot călători în ambele direcții.

2. Noi tipuri de informații

Canalele tradiționale de comunicare precum 4-20mA permit comunicarea doar a unei singure variabile de proces, fără spațiu de validare, dar cu HART, puteți obține până la 40 de informații suplimentare împreună cu variabila de proces.

Câteva exemple de informații suplimentare care ar putea fi culese de pe dispozitive bazate pe HART includ;

1. Alerte de stare și diagnostic ale dispozitivului
2. Variabile de proces și unități
3. Curent buclă &% gamă
4. Parametrii de configurare de bază
5. Etichetă producător și dispozitiv

Folosind o combinație a acestor informații suplimentare, dispozitivele HART pot raporta automat problemele legate de configurarea sau operațiile lor către dispozitivul master / gazdă. Acest lucru ajută la reducerea necesității verificărilor de rutină și ar putea fi foarte util pentru întreținerea predictivă.

3. Dispozitive multivariabile

În modul digital, o singură pereche de fire poate gestiona mai multe variabile. De exemplu, un emițător ar putea gestiona intrările de la mai mulți senzori

4. Independența furnizorului

Tot ceea ce ține de HART a fost predat de Emerson către HART Communications Foundation, ca atare, standardele sunt deschise și nu specifice unui singur furnizor. Aceasta înseamnă că nu există pericolul de a fi blocat într-un „standard” regional specific sau specific pentru furnizor.

5. Lățimea aprovizionării

HART este considerat în prezent ca cel mai acceptat protocol pentru industria proceselor din toată lumea. Este atât de popular încât probabilitatea ca un dispozitiv industrial să fie compatibil cu HART este de aproape 1.

6. Interoperabilitate

Dispozitivele compatibile HART și sistemele gazdă pot funcționa împreună, indiferent de furnizor, modele și alte probleme de compatibilitate / interoperabilitate care afectează rețelele. Chiar și dispozitivele gazdă care nu au fost proiectate pentru a gestiona informațiile digitale de pe un dispozitiv HART vor avea în continuare un anumit nivel de interoperabilitate cu comunicațiile prin semnalul analogic 4-20 mA.

WirelessHART

Protocolul HART a evoluat de-a lungul anilor, cu progrese în tehnologie și sofisticare sporită a cazurilor de utilizare. Unul dintre produsele recente ale evoluției sale este o nouă tehnologie numită WirelessHART, care oferă posibilități complet noi cu transmisia fără fir a informațiilor HART.

Este primul protocol de comunicație fără fir standardizat (IEC62591) din domeniul automatizării proceselor. Spre deosebire de Protocolul HART obișnuit, acesta, în această etapă, acceptă doar comunicarea prin semnalul digital, deoarece comunicarea analogică nu este furnizată, deoarece nu este utilizat niciun cablu de conexiune.

În prezent, există două soluții WirelessHART diferite, inclusiv;

1. Un adaptor WirelessHART pentru îmbunătățirea dispozitivelor HART existente
2. Un transmițător WirelessHART autoalimentat.

WirelessHART poate fi utilizat pe instrumentele cu fir existente pentru a colecta cantitatea mare de informații care a fost blocată anterior în instrument și oferă, de asemenea, o modalitate rentabilă, simplă și fiabilă de a implementa noi puncte de măsurare și control fără costurile de cablare.