Πρωτόκολλο HART: Αρχιτεκτονική, Εργασία και Εφαρμογές της

Προς το παρόν σε βιομηχανικός αυτοματισμός , χρησιμοποιούνται διαφορετικοί τύποι έξυπνων συσκευών πεδίου, αλλά η παρακολούθηση κάθε συσκευής είναι πολύ δύσκολη στον κλάδο από αρχές ή μηχανικούς πεδίου. Έτσι, γενικά, αυτό το είδος παρακολούθησης επιτυγχάνεται με έξυπνες συσκευές, οι οποίες επιτρέπουν τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ διαφορετικών συνδεδεμένων συσκευών εντός και εκτός της βιομηχανίας στο κύριο σύστημα παρακολούθησης. Έτσι, το πρωτόκολλο HART εισήχθη το 1980 και βασίζεται στα πρότυπα Bell 202. Αυτό το πρωτόκολλο έχει γίνει βιομηχανικό πρότυπο, γι' αυτό χρησιμοποιείται στον βιομηχανικό αυτοματισμό. Έτσι, αυτό το άρθρο εξετάζει μια επισκόπηση του Πρωτόκολλο HART – εργασία με εφαρμογές.

Τι είναι το πρωτόκολλο HART;

Ο όρος HART στο πρωτόκολλο HART σημαίνει 'Highway Addressable Remote Transducer' που είναι ένα ανοιχτό πρότυπο πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται παγκοσμίως για τη μετάδοση και λήψη ψηφιακών δεδομένων με αναλογική καλωδίωση μεταξύ έξυπνων συσκευών και συστήματα ελέγχου . Αυτό το πρωτόκολλο είναι πολύ δημοφιλές, επομένως περισσότερες από 30 εκατομμύρια συσκευές σε όλο τον κόσμο τροφοδοτούνται με το πρωτόκολλο HART. Αυτό το πρωτόκολλο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία επικοινωνίας μεταξύ κεντρικών συστημάτων καθώς και έξυπνων συσκευών πεδίου σε βιομηχανίες.

Το πρωτόκολλο HART απέκτησε μεγαλύτερη δημοτικότητα λόγω της ικανότητάς του να υποστηρίζει το παλαιότερο αναλογικό πρωτόκολλο που βασίζεται στα 4-20 mA, ενώ περιλαμβάνει τα κύρια πλεονεκτήματα των ψηφιακών έξυπνων οργάνων.
Αυτό το πρωτόκολλο περιγράφει την τεχνολογία φυσικής σύνδεσης και επίσης εντολές που χρησιμοποιούνται από διαφορετικές εφαρμογές. Οι εντολές Hart είναι τριών τύπων Universal, Common Practice & Device Specific.
Οι εντολές γενικού τύπου υλοποιούνται μέσω όλων των συσκευών HART. Αυτές οι εντολές χρησιμοποιούνται κυρίως από έναν ελεγκτή για την αναγνώριση μιας συσκευής πεδίου καθώς και για την ανάγνωση δεδομένων διεργασίας.

Οι εντολές τύπου Common Practice χρησιμοποιούνται για την περιγραφή διαφορετικών λειτουργιών που συνήθως ισχύουν μόνο για συσκευές πεδίου. Αυτές οι συσκευές περιλαμβάνουν εντολές για την αλλαγή του εύρους, την επιλογή μηχανικών μονάδων και την εκτέλεση αυτοελέγχων.

Οι εντολές τύπου για συγκεκριμένη συσκευή δεν είναι ίδιες για κάθε συσκευή. Αυτές οι εντολές εκτελούν μοναδικές λειτουργίες διαμόρφωσης και τροποποίησης. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να σημειωθεί ότι όταν συσκευές από διάφορους κατασκευαστές εφαρμόζουν παρόμοια λειτουργικότητα εξωτερικά. Για παράδειγμα, η μέτρηση διαφορικής πίεσης μπορεί να περιλαμβάνει εντελώς διαφορετικό υλικό και επίσης διαφορετικά σύνολα εντολών για τη συσκευή.

HART Protocol Architecture

Το πρωτόκολλο HART λειτουργεί σε δύο διαμορφώσεις δικτύου, όπως σημείο σε σημείο και πολλαπλό σημείο, οι οποίες αναλύονται παρακάτω.

Διαμόρφωση δικτύου από σημείο σε σημείο

Στη διαμόρφωση δικτύου από σημείο σε σημείο, για την επικοινωνία μιας μεμονωμένης μεταβλητής διεργασίας, χρησιμοποιείται το σταθερό σήμα 4–20 mA, ενώ οι επιπλέον μεταβλητές διεργασίας και οι παράμετροι σχεδίασης μεταδίδονται ψηφιακά με το πρωτόκολλο HART. Έτσι, το αναλογικό σήμα 4–20 mA δεν αλλάζει από το σήμα HART και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κανονικό τρόπο. Το ψηφιακό σήμα επικοινωνίας HART παρέχει το δικαίωμα εισόδου σε δευτερεύουσες μεταβλητές και άλλα δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συντήρηση, θέση σε λειτουργία, λειτουργίες και διαγνωστικούς σκοπούς.

Διαμόρφωση Δικτύου Multi Drop

Αυτή η διαμόρφωση δικτύου επιτρέπει τη σύνδεση διαφόρων συσκευών με ένα μόνο ζεύγος καλωδίων. Η επικοινωνία σε αυτή τη διαμόρφωση είναι εντελώς ψηφιακή αφού η επικοινωνία σε όλο το ρεύμα αναλογικού βρόχου είναι απενεργοποιημένη καθώς το ρεύμα σε κάθε συσκευή είναι σταθερό σε μια ελάχιστη επαρκή τιμή για τη λειτουργία της συσκευής κανονικά 4mA.

Πώς λειτουργεί η επικοινωνία HART;

Το πρωτόκολλο επικοινωνίας HART χρησιμοποιεί το πρότυπο Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) για την υπέρθεση ψηφιακών σημάτων που αντιπροσωπεύονται με δύο διαφορετικές συχνότητες όπως 1.200 Hz & 2.200 Hz. Εδώ, η συχνότητα 1.200 Hz αντιπροσωπεύει το bit 1 ενώ η συχνότητα 2.200 Hz αντιπροσωπεύει το bit 0 αντίστοιχα.

Όταν τα ημιτονοειδή κύματα με αυτές τις συχνότητες τοποθετηθούν πάνω σε καλώδια αναλογικού σήματος DC, τότε πραγματοποιείται η μεταφορά δεδομένων. Έτσι, κατά τη διάρκεια αυτής της μεταφοράς δεδομένων, το σήμα 4-20 mA δεν επηρεάζεται λόγω της τυπικής τιμής ενός σήματος πληκτρολόγησης μετατόπισης συχνότητας που ισοδυναμεί με μηδέν. Αυτό το πρωτόκολλο υποστηρίζει ταυτόχρονα δύο κανάλια επικοινωνίας όπως αναλογικό σήμα 4-20 mA και ψηφιακά σήματα.

Το αναλογικό σήμα επικοινωνεί την κύρια μετρούμενη τιμή με τον βρόχο ρεύματος 4-20 mA, ενώ τα πρόσθετα δεδομένα της συσκευής μεταδίδονται μέσω ενός ψηφιακού σήματος που επικαλύπτεται στο αναλογικό σήμα.
Το ψηφιακό σήμα περιλαμβάνει τις πληροφορίες της συσκευής όπως την κατάσταση της συσκευής, διαγνωστικά, υπολογισμένες τιμές κ.λπ. Έτσι, από κοινού, τα δύο κανάλια επικοινωνίας προσφέρουν μια πολύ στιβαρή και χαμηλού κόστους λύση επικοινωνίας που είναι πολύ απλή στη χρήση και τη διαμόρφωση. Αυτό το πρωτόκολλο ονομάζεται συχνά υβριδικό πρωτόκολλο επειδή συνδυάζει αναλογική και ψηφιακή επικοινωνία.

Η τεχνολογία HART διαφοροποιείται ως πρωτόκολλο master/slave επειδή η slave συσκευή λειτουργεί μόνο όταν συνδεθεί μια κύρια συσκευή σε αυτήν. Εδώ, η εξαρτημένη συσκευή είναι μια έξυπνη συσκευή και η κύρια συσκευή είναι ένας υπολογιστής.

Τρόποι του πρωτοκόλλου HART

Γενικά, για επικοινωνία εντός του πρωτοκόλλου HART, η συσκευή που χρησιμοποιείται εντός του δικτύου είναι το PLC ή το κατανεμημένο σύστημα ελέγχου που επιλέγεται ως κύριο, ενώ άλλες συσκευές πεδίου θεωρούνται ως υποτελείς, όπως αισθητήρες ή ενεργοποιητές. Αλλά εδώ η επικοινωνία μεταξύ master και slave εξαρτάται κυρίως από τον τρόπο επικοινωνίας στον οποίο είναι διατεταγμένο το σύστημα. Το δίκτυο πρωτοκόλλου HART επικοινωνεί με δύο τρόπους, όπως τη λειτουργία κύριας/υποτελούς λειτουργίας και τη λειτουργία ριπής.

Λειτουργία Master/Slave

Αυτή η λειτουργία είναι επίσης γνωστή ως λειτουργία αιτήματος-απόκρισης. Σε αυτόν τον τύπο λειτουργίας, οι εξαρτημένες συσκευές απλώς μεταδίδουν δεδομένα μόλις εκδοθεί ένα αίτημα από την κύρια συσκευή. Για κάθε βρόχο HART, μπορούν να συνδεθούν δύο κύριοι. Έτσι, η κύρια κύρια μονάδα είναι συνήθως ένα DCS (κατανεμημένο σύστημα ελέγχου), PC (προσωπικός υπολογιστής) ή PLC (προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής) ενώ ο δευτερεύων κύριος είναι ένας άλλος υπολογιστής ή ένα τερματικό χειρός. Οι συσκευές Slave είναι ενεργοποιητές, ελεγκτές και πομποί που αντιδρούν σε εντολές από τις κύριες συσκευές.

Λειτουργία ριπής

Ορισμένες συσκευές με πρωτόκολλο HART υποστηρίζουν απλώς αυτήν τη λειτουργία επικοινωνίας. Αυτή η λειτουργία επιτρέπει ταχύτερη επικοινωνία, όπως τρεις έως τέσσερις ενημερώσεις δεδομένων για κάθε δευτερόλεπτο. Η κύρια συσκευή σε αυτήν τη λειτουργία δίνει οδηγίες στη εξαρτημένη συσκευή να μεταδίδει ένα τυπικό μήνυμα απάντησης HART συνεχώς. Ο κύριος λαμβάνει το μήνυμα με μεγάλη ταχύτητα μέχρι να διατάξει τον δούλο να σταματήσει να σκάει. Αυτή η λειτουργία ισχύει όταν η παραπάνω συσκευή HART είναι απαραίτητη για επικοινωνία από τον βρόχο HART.

HART Protocol Vs Modbus

Η διαφορά μεταξύ του πρωτοκόλλου HART και του Modbus περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

Πλεονεκτήματα

ο πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου HART περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι συσκευές που ενεργοποιούνται από το πρωτόκολλο HART απλώς επιτρέπουν στους χρήστες να κάνουν τη συσκευή να χρησιμοποιεί τα καλύτερα δεδομένα για τη βελτιστοποίηση των λειτουργικών τους ικανοτήτων.
• Μειώνει τους χρόνους διακοπής λειτουργίας λόγω αστοχίας του εξοπλισμού, αναγνωρίζοντας τα πιθανά προβλήματα πριν συμβούν.
• Μειώνει το κόστος αποθεμάτων και τη συντήρηση των συσκευών.
• Μειώνει τους χρόνους αναμονής για αναγνώριση και επίλυση προβλημάτων.
• Ενισχύει τα επίπεδα ακεραιότητας της ασφάλειας χρησιμοποιώντας προηγμένα διαγνωστικά.
• Τα οφέλη από την επιλογή του πρωτοκόλλου HART περιλαμβάνουν κυρίως: ψηφιακή ικανότητα, αναλογική δυνατότητα, διαθεσιμότητα & διαλειτουργικότητα.
• Αυτό το πρωτόκολλο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί με διαφορετικές συσκευές και αισθητήρες.
• Οι συσκευές που βασίζονται σε πρωτόκολλο HART είναι ευρέως αποδεκτές στις βιομηχανίες.
• Αυτό το πρωτόκολλο αυξάνει τη διαθεσιμότητα του συστήματος, την κανονικότητα προόδου κ.λπ.

Μειονεκτήματα

ο μειονεκτήματα του πρωτοκόλλου HART περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Το ψηφιακό σήμα εντός της μετάδοσης HART είναι αρκετά αργό.
• Για διάταξη πολλαπλών σταγόνων, το αναλογικό σήμα δεν είναι προσβάσιμο & το αρ. των συσκευών που μπορούν να χωρίσουν τη γραμμή μεταφοράς είναι περιορισμένη.
• Μπορεί να παρακολουθεί μόνο μία μεταβλητή διεργασίας ανά πάσα στιγμή.
• Αυτός ο τύπος πρωτοκόλλου είναι κάπως αργός σε σύγκριση με άλλα συστήματα Fieldbus όπως το Profibus & το Foundation Fieldbus. Έτσι, αυτός ο αργός χρόνος απόκρισης προκαλεί κάποιες δυσκολίες σε ορισμένες βιομηχανικές εφαρμογές.
• Γενικά, η ταχύτητα του πρωτοκόλλου HART είναι επαρκής για απλά συστήματα παρακολούθησης όπου οι μεταβλητές διεργασίας δεν ποικίλλουν γρήγορα.

Εφαρμογές

ο εφαρμογές του πρωτοκόλλου HART περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Το πρωτόκολλο HART χρησιμοποιείται παγκοσμίως για τη μετάδοση και λήψη ψηφιακών δεδομένων με αναλογική καλωδίωση μεταξύ έξυπνων συσκευών και συστημάτων ελέγχου.
• Αυτό είναι ένα πολύ δημοφιλές πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται στον βιομηχανικό αυτοματισμό.
• Αυτό το πρωτόκολλο είναι κυρίως για την ανάλυση έξυπνων συσκευών.
• Αυτό χρησιμοποιείται ευρέως σε συστήματα διεργασιών και οργάνων.
• Αυτός ο τύπος πρωτοκόλλου επικοινωνίας είναι ιδανικός για πολυμεταβλητά όργανα που περιλαμβάνουν μετρητές ροής μάζας όπου η ογκομετρική ροή, η ροή μάζας, η πυκνότητα και η θερμοκρασία μπορούν να μεταδοθούν στο σύστημα ελέγχου μέσω ενός μόνο καλωδίου.
• Αυτό το πρωτόκολλο έχει σχεδιαστεί κυρίως για χρήση σε εφαρμογές ελέγχου και μέτρησης βιομηχανικών διεργασιών.
• Το πρωτόκολλο HART χρησιμοποιείται κυρίως σε βιομηχανίες επεξεργασίας για επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών συσκευών.

Έτσι, αυτό είναι ένα λειτουργία του πρωτοκόλλου HART . Αυτό το πρωτόκολλο είναι το παγκόσμιο πρότυπο που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση και λήψη ψηφιακών δεδομένων μέσω αναλογικών καλωδίων μεταξύ συσκευών έξυπνου πεδίου καθώς και συστημάτων παρακολούθησης ή ελέγχου όπως συστήματα DCS & PLC. Αυτό το πρωτόκολλο αμφίδρομης επικοινωνίας παρέχει απλώς το δικαίωμα εισαγωγής πρόσθετων δεδομένων μεταξύ του πεδίου και του κεντρικού ελεγκτή, από μια φορητή συσκευή έως ένα σύστημα διαχείρισης περιουσιακών στοιχείων ή έναν ελεγκτή εγκατάστασης. Ακολουθεί μια ερώτηση: Ποια είναι η πλήρης μορφή του πρωτοκόλλου HART;