Úvod do komunikačného protokolu diaľkovo adresovateľného diaľkového snímača Hart

Výhody vzájomného rozhovoru dvoch strojov (alebo ich súčastí) boli zrejmé pre odborníkov na priemyselnú automatizáciu a riadenie už predtým, ako sa internet vecí (IoT) stal hlavným prúdom. Hodnoty v teplotnom snímači v strede kľukového hriadeľa, ktoré odosielajú merania na riadenie relé pohonu motora, atď., Boli jasné a jedným z komunikačných protokolov použitých na dosiahnutie tohto protokolu bol protokol HART.

Vďaka viac ako 30 miliónom na ňom založených zariadeniach, ktoré sú nainštalované po celom svete, je protokol HART považovaný za najpopulárnejší protokol v priemyselnej automatizácii a dnešný článok poskytne prehľad toho, čo ho robí takým zvláštnym. Preskúmame jeho vlastnosti, aplikácie a inovované verzie, napríklad WirelessHART.

Prehľad

Protokol Highway Addressable Remote Transducer (HART) je jedným z najpopulárnejších otvorených komunikačných protokolov používaných v priemyselnej automatizácii na odosielanie a prijímanie digitálnych informácií prostredníctvom analógového vedenia medzi inteligentnými zariadeniami a riadiacimi systémami. Tento protokol je pokrokom v sériovom komunikačnom protokole, ako je RS485, a udalosť, ktorá sa tiež populárne používa v priemyselných odvetviach.

Bol vyvinutý spoločnosťou Emerson v 80. rokoch ako patentovaný komunikačný protokol na riešenie chýb v existujúcom komunikačnom protokole 4 - 20 mA, ktorý dokázal prenášať iba jeden parameter alebo nameranú hodnotu. Pomocou protokolu HART by úsilie priemyselnej automatizácie mohlo dosiahnuť obojsmernú komunikáciu, ktorá napravila nevýhody 4 - 20 mA, ale tiež si zachovala svoju infraštruktúru, pretože protokol HART môže vysielať digitálne signály tak, že ich superponuje na analógové signály bez skreslenia alebo rušenia.

Účinkom vyššie uvedeného je vytvorenie dvoch simultánnych komunikačných kanálov: analógového signálu 4 - 20 mA a digitálneho signálu. Táto kombinácia je dôvod, prečo sa protokol označuje ako hybridný protokol. Typické aplikácie, ako sú prístrojové zariadenia, môžu na odoslanie primárnej nameranej hodnoty použiť signál 4 - 20 mA a na odoslanie informácií použiť superponovaný digitálny signál.

Vďaka podpore zariadení s prúdom 4–20 mA mohli spoločnosti naďalej používať svoj starší hardvér. Toto, spolu s tým, ako sa protokol stal „otvoreným“, zvýšilo úroveň prijatia protokolu na vysokú úroveň, kým sa nestal de facto štandardom v priemysle.

Fungovanie komunikačného protokolu HART

Komunikácia HART prebieha medzi dvoma zariadeniami s povoleným HART, zvyčajne inteligentným poľným zariadením a riadiacim alebo monitorovacím systémom. Ako už bolo popísané vyššie, zariadenia založené na protokole prenášajú analógový signál pomocou existujúceho prístupu 4 - 20 mA a digitálne signály superponujú signál (ako signál striedavého prúdu) na analógový signál 4 - 20 mA pomocou kľúčovania Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK).

Procedúra FSK zahrnuje superpozíciu sínusových vĺn dvoch frekvencií, zvyčajne 1 200 Hz a 2 200 Hz, ktoré predstavujú bity (1, respektíve 0) odosielaných údajov. Použitie FSK zaisťuje, že priemerná hodnota dvoch frekvencií je vždy nulová, čo zaisťuje, že analógový signál nie je ovplyvnený digitálnym signálom.

Režimy sieťovej konfigurácie

Na uspokojenie potrieb rôznych aplikácií je možné zariadenia v rámci protokolu HART nakonfigurovať tak, aby fungovali v dvoch hlavných režimoch;

Režim point-to-point
Režim Multi-Drop

1. Sieťový režim point-to-point

V režime bod-bod sú digitálne signály prekryté prúdom slučky 4–20 mA takým spôsobom, že prúd 4–20 mA aj digitálny signál je možné použiť na prenos správ medzi nadradenou jednotkou a podradenou jednotkou. To predstavuje typické použitie protokolu so sekundárnymi premennými a údajmi, ktoré možno použiť na monitorovanie, údržbu a diagnostické účely, ktoré sa vymieňajú cez digitálne signály, zatiaľ čo riadiace signály sa odosielajú cez analógovú polovicu protokolu. Na obrázku nižšie je ilustrácia konfigurácie siete typu bod-bod.

2. Režim Multi-Drop Network

Režim konfigurácie siete Multi-Drop umožňuje pripojenie viacerých zariadení na jeden pár vodičov podobným spôsobom ako protokoly založené na adresách, ako je i2c. Komunikácia v multi-drop režime je úplne digitálna, pretože komunikácia cez prúd analógovej slučky je vypnutá, pretože prúd cez každé zo zariadení je fixovaný na minimálnu hodnotu, ktorá stačí na prevádzku zariadenia (zvyčajne 4mA). Sieťové konfigurácie s viacnásobným poklesom sa zvyčajne používajú v aplikáciách riadenia dozoru, ktoré sú veľmi vzdialené od seba, ako napríklad v cisternových farmách a potrubiach. Konfigurácia siete Multi-Drop je znázornené na obrázku nižšie.

Komunikačné režimy

Spravidla sa pre komunikáciu na základe protokolu HART vyžaduje, aby bolo jedno zariadenie v sieti, zvyčajne distribuovaný riadiaci systém alebo PLC, označené ako hlavný, zatiaľ čo iné, obvykle poľné zariadenia, ako sú senzory alebo akčné členy, označené ako podriadené.

Avšak spôsob, ktorým otroci komunikujú s nadradenou jednotkou, závisí od komunikačného režimu, do ktorého je sieť nakonfigurovaná. Sieť zariadení kompatibilných s protokolom HART je možné nastaviť na komunikáciu v dvoch režimoch, a to;

Režim komunikácie požiadavka-odpoveď
Režim série

1. Režim komunikácie požiadavka-odpoveď

V komunikačnom režime požiadavka na odpoveď podriadené zariadenia prenášajú informácie iba vtedy, keď je požiadavka vydaná nadradeným zariadením. Aj keď tento režim má svoje nevýhody, najmä zníženú rýchlosť komunikácie (2 - 3 aktualizácie údajov za sekundu), pomáha udržiavať protokol jednoduchý, efektívny a ľahko implementovateľný.

2. Režim série

Aby sa vytvoril priestor pre zmeny v požiadavkách na aplikáciu, má protokol ďalší komunikačný režim, ktorý sa nazýva režim „Burst“. V tomto režime môžu podriadené zariadenia odosielať jednu informáciu nepretržite bez potreby opakovaných požiadaviek od nadriadeného. Tento režim ponúka rýchlejšiu rýchlosť komunikácie s až 3 - 4 aktualizáciami za sekundu a zvyčajne sa používa v scenároch, kde je na počúvanie komunikácie z HART slučky potrebné viac ako jedno zariadenie HART.

Pre umožnenie externého monitorovania požadovaného pre väčšinu priemyselných aplikácií podporuje oba komunikačné režimy až dva masters definované ako primárne a sekundárne. Primárny master, ako je znázornené na obrázku vyššie, je zvyčajne hlavným riadiacim / monitorovacím systémom, zatiaľ čo sekundárny master je zvyčajne zariadenie ako ručné terminály aka HART Communicator, ktoré je pripojené k slučke HART iba na krátky čas.

Výhody

Medzi výhody protokolu HART oproti iným vo svojej triede patria:

1. Obojsmerná komunikácia

Napríklad použitie analógového signálu 4 - 20 mA umožňuje tok informácií iba jedným smerom (vysielač k prijímaču). Vďaka HART Communication môžu údaje cestovať oboma smermi.

2. Nové typy informácií

Tradičné komunikačné kanály, ako napríklad 4 - 20 mA, umožňujú komunikáciu iba jednej procesnej premennej bez možnosti overenia, ale pomocou protokolu HART môžete spolu s procesnou premennou získať až 40 ďalších informácií.

Niektoré príklady ďalších informácií, ktoré je možné získať zo zariadení založených na HART, zahŕňajú;

Stav zariadenia a diagnostické výstrahy
Spracovať premenné a jednotky
Smyčkový prúd a% rozsahu
Základné konfiguračné parametre
Značka výrobcu a zariadenia

Pomocou kombinácie týchto ďalších informácií môžu zariadenia HART samy hlásiť problémy s ich konfiguráciou alebo operáciami na nadradené / hostiteľské zariadenie. To pomáha znižovať potrebu bežných kontrol a môže byť veľmi užitočné pri prediktívnej údržbe.

3. Zariadenia s viacerými premennými

V digitálnom režime môže jeden pár vodičov zvládnuť viac premenných. Napríklad jeden vysielač dokáže spracovať vstupy z viacerých senzorov

4. Nezávislosť predajcu

Spoločnosť Emerson odovzdala všetko, čo súvisí s HART, HART Communications Foundation, pretože tieto štandardy sú otvorené a netýkajú sa iba jedného dodávateľa. To znamená, že nehrozí nebezpečenstvo uviaznutia v obmedzených alebo regionálnych „normách“, ktoré sú špecifické pre konkrétneho dodávateľa.

5. Šírka ponuky

HART je v súčasnosti považovaný za najrozšírenejší protokol pre procesný priemysel v celom svete. Je tak populárne, že pravdepodobnosť, že priemyselné zariadenie bude kompatibilné s HART, je takmer 1.

6. Interoperabilita

Zariadenia a hostiteľské systémy kompatibilné s HART môžu spolupracovať bez ohľadu na dodávateľa, modely a ďalšie problémy s kompatibilitou / interoperabilitou, ktoré trápia siete. Aj hostiteľské zariadenia, ktoré neboli navrhnuté na spracovanie digitálnych informácií zo zariadenia HART, budú stále mať určitú úroveň interoperability s komunikáciou prostredníctvom analógového signálu 4 - 20 mA.

WirelessHART

Protokol HART sa v priebehu let vyvíjal s pokrokem v technologii a zvýšenou propracovaností prípadu použití. Jedným z posledných produktov jej vývoja je nová technológia s názvom WirelessHART, ktorá ponúka úplne nové možnosti bezdrôtového prenosu informácií HART.

Je to prvý štandardizovaný (IEC62591) bezdrôtový komunikačný protokol v oblasti automatizácie procesov. Na rozdiel od bežného protokolu HART v tejto fáze podporuje iba komunikáciu cez digitálny signál, pretože nie je k dispozícii analógová komunikácia, pretože sa nepoužíva žiadny prepojovací kábel.

V súčasnosti existujú dve rôzne riešenia WirelessHART vrátane;

Adaptér WirelessHART na vylepšenie existujúcich zariadení HART
Samonapájací vysielač WirelessHART.

WirelessHART sa môže použiť na existujúcich drôtových prístrojoch na zber obrovského množstva informácií, ktoré sa predtým v prístroji uviazli, a tiež poskytuje nákladovo efektívny, jednoduchý a spoľahlivý spôsob nasadenia nových bodov merania a riadenia bez nákladov na zapojenie.