מבוא להרט - פרוטוקול תקשורת ממיר מרחוק הניתן לכביש

היתרונות של קבלת שתי מכונות (או רכיבים בתוכם), לדבר זה עם זה היו מובנים מאליהם עבור מומחי אוטומציה ובקרה תעשייתית, הרבה לפני שהאינטרנט של הדברים (IoT) הפך למיינסטרים. הערכים בחיישן טמפרטורה בלב גל ארכובה ששולח מדידות לבקרת ממסר כונן המנוע וכו 'היו ברורים, ואחד מפרוטוקולי התקשורת ששימשו להשגתו היה פרוטוקול HART.

עם יותר מ -30 מיליון מכשירים מבוססים עליו, המותקנים ברחבי העולם, פרוטוקול HART נחשב לפרוטוקול הפופולרי ביותר באוטומציה תעשייתית והמאמר של ימינו יספק סקירה על מה שהופך אותו למיוחד כל כך. נבדוק את התכונות, היישומים והגרסאות המשודרגות שלו כמו WirelessHART.

סקירה כללית

פרוטוקול המתמר הרחוק הניתן לכתובת דרך מהירה (HART) הוא אחד מפרוטוקולי התקשורת הפתוחים הפופולריים ביותר המשמשים באוטומציה תעשייתית לשליחת וקבלת מידע דיגיטלי באמצעות חיווט אנלוגי בין מכשירים חכמים ומערכות בקרה. פרוטוקול זה הוא התקדמות של פרוטוקול התקשורת הסדרתית כמו RS485 ואירוע אליו נעשה שימוש פופולרי גם בענפים.

הוא פותח על ידי אמרסון בשנות השמונים כפרוטוקול תקשורת קנייני כדי לטפל בפגמים בפרוטוקול התקשורת הקיים 4-20mA, שיכול היה להעביר רק פרמטר אחד או ערך נמדד. עם HART, מאמצי האוטומציה התעשייתית יכולים להשיג תקשורת דו-כיוונית שתיקנה את החסרונות של 4-20mA, אך גם לשמור על התשתית שלה מכיוון שפרוטוקול HART יכול לשלוח אותות דיגיטליים על ידי הצבתו על האותות האנלוגיים ללא עיוות או הפרעה.

ההשפעה של האמור לעיל היא יצירת שני ערוצי תקשורת בו זמנית: האות האנלוגי 4-20mA והאות דיגיטלי. שילוב זה הוא הסיבה לכך שהפרוטוקול מכונה פרוטוקול היברידי. יישומים אופייניים כמו התקני מכשור יכולים להשתמש באות 4-20mA כדי לשלוח את הערך הנמדד העיקרי, ולהשתמש באות הדיגיטלית המופעלת על מנת לשלוח מידע.

התמיכה במכשירים מבוססי 4-20mA פירושה שחברות יוכלו להמשיך להשתמש בחומרה מדור קודם שלהן. יחד עם הפיכת הפרוטוקול ל"פתוח ", הניעו את רמות האימוץ של הפרוטוקול, עד שהפך לסטנדרט בפועל בענף.

עבודה של פרוטוקול תקשורת HART

תקשורת HART מתרחשת בין שני מכשירים תומכי HART, בדרך כלל מכשיר שדה חכם ומערכת בקרה או ניטור. כפי שתואר קודם לכן, התקנים המבוססים על הפרוטוקול מעבירים אות אנלוגי באמצעות הגישה הקיימת של 4-20mA, ואתות דיגיטליות על ידי העלאת האות (כאות זרם חילופין) על האות האנלוגי 4-20mA, באמצעות מקש Shift Frequency של Bell 202 (FSK) תקן.

הליך FSK כולל העלאת גידים של שני תדרים, בדרך כלל 1200 הרץ ו 2200 הרץ, המייצגים את הסיביות (1 ו- 0 בהתאמה) של הנתונים הנשלחים. השימוש ב- FSK מבטיח כי הערך הממוצע של שני התדרים הוא תמיד אפס, ומבטיח שהאות האנלוגי לא מושפע מהאות הדיגיטלי.

מצבי תצורת רשת

כדי לענות על הצרכים של יישומים שונים, ניתן להגדיר התקנים תחת פרוטוקול HART לפעול בשני מצבים עיקריים;

1. מצב נקודה לנקודה
2. מצב רב ירידה

1. מצב רשת נקודה לנקודה

במצב נקודה לנקודה האותות הדיגיטליים מכוסים על זרם הלולאה 4–20 mA בצורה כזו שניתן להשתמש הן בזרם 4-20 mA והן באות הדיגיטלית להעברת מסרים בין המאסטר לעבד. זה מייצג את היישום האופייני של הפרוטוקול, עם משתנים ונתונים משניים, שיכולים לשמש למטרות ניטור, תחזוקה ואבחון, המוחלפים על פני האותות הדיגיטליים בעוד אותות בקרה נשלחים על המחצית האנלוגית של הפרוטוקול. איור לתצורת רשת נקודה לנקודה מוצג בתמונה למטה.

2. מצב רשת רב זרוק

מצב תצורת הרשת Multi-Drop מאפשר להתחבר למספר מכשירים על אותו זוג חוטים באופן הדומה לפרוטוקולים מבוססי כתובות כמו i2c. תקשורת במצב רב-טיפה היא דיגיטלית לחלוטין מכיוון שהתקשורת דרך זרם הלולאה האנלוגית מושבתת מכיוון שהזרם דרך כל אחד מההתקנים קבוע בערך מינימלי המספיק רק להפעלת המכשיר (בדרך כלל 4 mA). תצורות רשת מרובות טיפות משמשות בדרך כלל ביישומי בקרה פיקוחיים המרווחים באופן נרחב כמו בחוות טנקים ובצינורות. תצורת רשת Multi-Drop מתוארת בתמונה למטה.

מצבי תקשורת

באופן כללי, לצורך תקשורת תחת פרוטוקול HART, מכשיר אחד ברשת, בדרך כלל מערכת בקרה מבוזרת או PLC, נדרש להיות מוגדר כמאסטר ואילו מכשירים אחרים, בדרך כלל מכשירי שטח כמו חיישנים או מפעילים, מוגדרים כעבדים.

עם זאת, אופן דרכם של העבדים לתקשר עם המאסטר תלוי במצב התקשורת אליו מוגדרת הרשת. ניתן להגדיר רשת של מכשירים תואמי פרוטוקול HART שתתקשר בשני מצבים, כלומר;

1. מצב תקשורת בקשה-תגובה
2. מצב פרץ

1. מצב תקשורת בקשה-תגובה

במצב תקשורת בקשה-תגובה, מכשירי עבדים מעבירים מידע רק כאשר ניתנת בקשה ממכשיר המאסטר. אמנם למצב זה חסרונותיו מופחתים במיוחד במהירות התקשורת (2-3 עדכוני נתונים בשנייה), אך הוא עוזר לשמור על פרוטוקול פשוט ויעיל וקל ליישום.

2. מצב פרץ

כדי לפנות מקום לשינוי בדרישות היישום, יש לפרוטוקול מצב תקשורת נוסף הנקרא מצב "פרץ". במצב זה, מכשירי העבדים יכולים לשלוח פיסת מידע אחת, באופן רציף, ללא צורך בבקשות חוזרות ונשנות מצד המאסטר. מצב זה מציע מהירות תקשורת מהירה יותר עם עד 3-4 עדכונים בשנייה, והוא משמש בדרך כלל בתרחישים בהם יותר ממכשיר HART אחד נדרש להאזנה לתקשורת מ- HART Loop.

כדי לאפשר ניטור חיצוני, הרצוי לרוב היישומים התעשייתיים, שניהם במצב תקשורת תומכים בעד שני מאסטרים המוגדרים כראשוניים ומשניים. המאסטר הראשי, כפי שמודגם בתמונה לעיל, הוא בדרך כלל מערכת הבקרה / ניטור הראשית ואילו המאסטר המשני הוא בדרך כלל מכשיר כמו מסופי כף יד המכונים HART Communicator, המחובר ללולאת HART לתקופה קצרה בלבד.

יתרונות

חלק מהיתרונות של פרוטוקול HART על פני אחרים בכיתתו כוללים:

1. תקשורת דו כיוונית

השימוש בסימן אנלוגי 4-20mA, למשל, מאפשר זרימת מידע לכיוון אחד בלבד (משדר למקלט). באמצעות HART תקשורת, נתונים יכולים לנוע לשני הכיוונים.

2. סוגי מידע חדשים

ערוצי תקשורת מסורתיים כמו 4-20mA מאפשרים תקשורת של משתנה תהליך אחד בלבד ללא מקום לאימות, אך באמצעות HART, אתה יכול לקבל עד 40 מידע נוסף יחד עם משתנה התהליך.

כמה דוגמאות למידע נוסף שניתן להפיק ממכשירים מבוססי HART כוללים:

1. סטטוס מכשיר והתראות אבחון
2. משתנים ויחידות תהליך
3. לולאה הנוכחית וטווח%
4. פרמטרים תצורה בסיסיים
5. יצרן ותג מכשיר

באמצעות שילוב של מידע נוסף זה, מכשירי HART יכולים לדווח על בעיות בתצורה או לפעולות שלהם למכשיר הראשי / מארח. זה עוזר להפחית את הצורך בבדיקות שגרתיות ויכול להיות שימושי מאוד לתחזוקת חיזוי.

3. התקנים רב משתנים

במצב דיגיטלי, זוג חוטים יחיד יכול להתמודד עם מספר משתנים. לדוגמא, משדר אחד יכול לטפל בכניסות ממספר חיישנים

4. עצמאות הספק

כל מה שקשור ל- HART הועבר על ידי אמרסון לקרן HART Communications, מכיוון שכאלה הסטנדרטים פתוחים ולא ספציפיים לספק אחד. פירוש הדבר שאין סכנה להינעל ב"סטנדרטים "מוגבלים ספציפיים של ספק או אזורי.

5. רוחב האספקה

HART נחשב כיום לפרוטוקול הנתמך ביותר עבור תעשיית התהליכים ברחבי המילה. זה כל כך פופולרי שההסתברות שמכשיר תעשייתי יהיה תואם ל- HART היא כמעט 1.

6. יכולת פעולה הדדית

התקנים ומערכות מארח תואמי HART יכולים לעבוד יחד ללא קשר לספק, לדגמים ולבעיות תאימות / פעולה הדדיות אחרות הפוגעות ברשתות. אפילו מכשירים מארחים שלא תוכננו לטפל במידע הדיגיטלי ממכשיר HART, עדיין יהיו בעלי יכולת פעולה הדדית מסוימת עם תקשורת באמצעות האות האנלוגי 4-20 mA.

WirelessHART

פרוטוקול HART התפתח עם השנים עם התקדמות הטכנולוגיה ותחכום מוגבר של מקרי השימוש. אחד המוצרים האחרונים של האבולוציה שלה הוא טכנולוגיה חדשה בשם WirelessHART, המציעה אפשרויות חדשות לחלוטין עם העברה אלחוטית של מידע HART.

זהו פרוטוקול התקשורת האלחוטית הסטנדרטי הראשון (IEC62591) בתחום אוטומציה של תהליכים. בניגוד לפרוטוקול HART הרגיל, בשלב זה הוא תומך רק בתקשורת על האות הדיגיטלי מכיוון שהתקשורת האנלוגית אינה מסופקת מאחר ולא משתמשים בכבל חיבור.

נכון לעכשיו, ישנם שני פתרונות WirelessHART שונים כולל;

1. מתאם WirelessHART לשיפור התקני HART קיימים
2. משדר WirelessHART בעל הפעלה עצמית.

ניתן להשתמש ב- WirelessHART במכשירים קווית קיימים כדי לאסוף את המידע העצום שהיה תקוע בעבר במכשיר, וכן מספק דרך חסכונית, פשוטה ואמינה לפרוס נקודות מדידה ושליטה חדשות ללא עלויות החיווט.