- Přehled
- Fungování komunikačního protokolu HART
- Režimy konfigurace sítě
- 1. Režim sítě point-to-point
- 2. Multi-Drop síťový režim
- Režimy komunikace
- Výhody
- WirelessHART
Výhody získání dvou strojů (nebo jejich součástí) k vzájemné komunikaci byly zřejmé odborníkům na průmyslovou automatizaci a řízení, a to ještě předtím, než se internet věcí (IoT) stal hlavním proudem. Hodnoty v teplotním senzoru v srdci klikového hřídele odesílajícího měření k ovládání relé pohonu motoru atd. Byly jasné a jedním z komunikačních protokolů použitých k dosažení tohoto cíle byl protokol HART.
S více než 30 miliony zařízení založených na něm, instalovaných po celém světě, je protokol HART považován za nejoblíbenější protokol v průmyslové automatizaci a dnešní článek poskytne přehled toho, čím je tak výjimečný. Prozkoumáme jeho funkce, aplikace a upgradované verze, jako je WirelessHART.
Přehled
Protokol HART (Highway Addressable Remote Transducer) je jedním z nejpopulárnějších otevřených komunikačních protokolů používaných v průmyslové automatizaci k odesílání a přijímání digitálních informací prostřednictvím analogového propojení mezi inteligentními zařízeními a řídicími systémy. Tento protokol je pokrokem v sériovém komunikačním protokolu, jako je RS485, a událost, která se také populárně používá v průmyslových odvětvích.
Byl vyvinut společností Emerson v 80. letech jako proprietární komunikační protokol k řešení vad stávajícího komunikačního protokolu 4–20 mA, který mohl přenášet pouze jeden parametr nebo měřenou hodnotu. S HART by úsilí v oblasti průmyslové automatizace mohlo dosáhnout obousměrné komunikace, která napravila nevýhody 4-20 mA, ale také si udržela svou infrastrukturu, protože protokol HART může odesílat digitální signály tím, že je superponuje na analogové signály bez zkreslení nebo interference.
Výsledkem výše uvedeného je vytvoření dvou současných komunikačních kanálů: analogového signálu 4–20 mA a digitálního signálu. Tato kombinace je důvodem, proč se protokol označuje jako hybridní protokol. Typické aplikace, jako jsou přístrojová zařízení, mohou k odeslání primární měřené hodnoty použít signál 4–20 mA a k odeslání informací použít superponovaný digitální signál.
Díky podpoře zařízení na bázi 4–20 mA mohly společnosti nadále používat svůj starší hardware. To spolu s tím, že se protokol stal „otevřeným“, vedlo k vysoké úrovni přijetí protokolu, dokud se nestal de facto standardem v oboru.
Fungování komunikačního protokolu HART
Komunikace HART probíhá mezi dvěma zařízeními podporujícími HART, obvykle inteligentním polním zařízením a řídicím nebo monitorovacím systémem. Jak bylo popsáno výše, zařízení založená na protokolu přenášejí analogový signál s využitím stávajícího přístupu 4–20 mA a digitální signály superponují signál (jako signál střídavého proudu) na analogový signál 4–20 mA pomocí klíčování Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK).
Procedura FSK zahrnuje superponování sinusových vln dvou frekvencí, typicky 1200 Hz a 2200 Hz, které představují bity (1 respektive 0) odesílaných dat. Použití FSK zajišťuje, že průměrná hodnota dvou frekvencí je vždy nulová, což zajišťuje, že analogový signál není ovlivněn digitálním signálem.
Režimy konfigurace sítě
Aby bylo možné vyhovět potřebám různých aplikací, lze zařízení v rámci protokolu HART nakonfigurovat tak, aby fungovala ve dvou hlavních režimech;
- Režim Point-to-Point
- Režim více pádů
1. Režim sítě point-to-point
V režimu point-to-point jsou digitální signály překryty proudem smyčky 4–20 mA takovým způsobem, že jak proud 4–20 mA, tak digitální signál lze použít k přenosu zpráv mezi nadřízeným a podřízeným zařízením. To představuje typickou aplikaci protokolu se sekundárními proměnnými a daty, která lze použít pro monitorování, údržbu a diagnostické účely, které se vyměňují přes digitální signály, zatímco řídicí signály se odesílají přes analogovou polovinu protokolu. Na obrázku níže je znázorněna konfigurace sítě Point-to-Point Network.
2. Multi-Drop síťový režim
Režim konfigurace sítě Multi-Drop umožňuje připojení několika zařízení na stejný pár vodičů podobným způsobem jako u protokolů založených na adresách, jako je i2c. Komunikace v multi-drop režimu je zcela digitální, protože komunikace přes proud analogové smyčky je deaktivována, protože proud přes každé ze zařízení je fixován na minimální hodnotu, která je dostatečná pro provoz zařízení (obvykle 4 mA). Síťové konfigurace s více pády se obvykle používají v aplikacích řízení dozoru, které jsou široce rozmístěny jako v tankových farmách a potrubích. Konfigurace sítě Multi-Drop je znázorněno na obrázku níže.
Režimy komunikace
Obecně je pro komunikaci podle protokolu HART vyžadováno, aby jedno zařízení v síti, obvykle distribuovaný řídicí systém nebo PLC, bylo označeno jako hlavní, zatímco ostatní, obvykle polní zařízení, jako jsou senzory nebo akční členy, jsou označena jako podřízené.
Způsob, jakým slave komunikují s masterem, však závisí na komunikačním režimu, do kterého je síť nakonfigurována. Síť zařízení kompatibilních s protokolem HART lze nastavit tak, aby komunikovala ve dvou režimech, a to;
- Režim komunikace požadavek-odpověď
- Burst režim
1. Režim komunikace požadavek-odpověď
V režimu komunikace požadavku a odezvy podřízená zařízení přenášejí informace pouze tehdy, když je požadavek vydán zařízením Master. I když tento režim má své nevýhody, zejména sníženou rychlost komunikace (2–3 aktualizace dat za sekundu), pomáhá udržovat protokol jednoduchý, efektivní a snadno implementovatelný.
2. Režim série
Aby se vytvořil prostor pro rozdíly v požadavcích aplikace, má protokol další komunikační režim, který se nazývá režim „Burst“. V tomto režimu mohou podřízená zařízení odesílat jedinou informaci nepřetržitě, bez nutnosti opakovaných požadavků od nadřízeného. Tento režim nabízí vyšší rychlost komunikace s až 3–4 aktualizacemi za sekundu a obvykle se používá ve scénářích, kde je k poslechu komunikace ze smyčky HART vyžadováno více než jedno zařízení HART.
Pro umožnění externího monitorování požadovaného pro většinu průmyslových aplikací podporuje oba komunikační režimy až dva hlavní servery definované jako primární a sekundární. Primární master, jak je znázorněno na obrázku výše, je obvykle hlavním řídicím / monitorovacím systémem, zatímco sekundární master je obvykle zařízení jako ruční terminály aka HART Communicator, které je ke smyčce HART připojeno pouze na krátkou dobu.
Výhody
Mezi výhody protokolu HART oproti jiným ve své třídě patří některé;
1. Obousměrná komunikace
Například použití analogového signálu 4–20 mA umožňuje tok informací pouze v jednom směru (vysílač k přijímači). Díky komunikaci HART mohou data cestovat oběma směry.
2. Nové typy informací
Tradiční komunikační kanály, jako je 4-20 mA, umožňují komunikaci pouze jedné procesní proměnné bez prostoru pro validaci, ale s HART můžete spolu s procesní proměnnou získat až 40 dalších informací.
Některé příklady dalších informací, které lze získat ze zařízení založených na HART, zahrnují;
- Stav zařízení a diagnostické výstrahy
- Zpracovat proměnné a jednotky
- Proud smyčky a% rozsah
- Základní konfigurační parametry
- Výrobce a značka zařízení
Pomocí kombinace těchto dalších informací mohou zařízení HART hlásit problémy s jejich konfigurací nebo operacemi na hlavní / hostitelské zařízení. To pomáhá snížit potřebu rutinních kontrol a může být velmi užitečné pro prediktivní údržbu.
3. Zařízení s více proměnnými
V digitálním režimu může jeden pár vodičů zpracovat více proměnných. Například jeden vysílač může zpracovávat vstupy z více senzorů
4. Nezávislost dodavatele
Emerson předal vše, co souvisí s HART, HART Communications Foundation, protože takové standardy jsou otevřené a nejsou specifické pro jednoho dodavatele. To znamená, že nehrozí nebezpečí, že se dostanete do omezených „regionálních“ norem specifických pro dodavatele nebo regionů.
5. Šířka nabídky
HART je v současné době považován za nejrozšířenější protokol pro procesní průmysl napříč světem. Je tak populární, že pravděpodobnost, že průmyslové zařízení bude kompatibilní s HART, je téměř 1.
6. Interoperabilita
Zařízení a hostitelské systémy kompatibilní s HART mohou spolupracovat bez ohledu na dodavatele, modely a další problémy s kompatibilitou / interoperabilitou, které trápí sítě. Dokonce i hostitelská zařízení, která nebyla navržena pro zpracování digitálních informací ze zařízení HART, budou stále mít určitou úroveň interoperability s komunikací prostřednictvím analogového signálu 4–20 mA.
WirelessHART
Protokol HART se v průběhu let vyvíjel díky technologickým pokrokům a zvýšené propracovanosti případů použití. Jedním z posledních produktů jeho vývoje je nová technologie s názvem WirelessHART, která nabízí zcela nové možnosti bezdrátového přenosu informací HART.
Jedná se o první standardizovaný (IEC62591) bezdrátový komunikační protokol v oblasti automatizace procesů. Na rozdíl od běžného protokolu HART v této fázi podporuje pouze komunikaci přes digitální signál, protože není poskytována analogová komunikace, protože není použit žádný propojovací kabel.
V současné době existují dvě různá řešení WirelessHART, včetně;
- Adaptér WirelessHART pro vylepšení stávajících zařízení HART
- Bezdrátový vysílač WirelessHART s vlastním napájením.
WirelessHART lze použít na stávajících kabelových přístrojích ke shromažďování obrovského množství informací, které byly dříve v přístroji uvízlé, a také poskytuje nákladově efektivní, jednoduchý a spolehlivý způsob nasazení nových bodů měření a řízení bez nákladů na zapojení.