Introduksjon til hart - adresserbar kommunikasjonsprotokoll for fjerntransducer

Fordelene med å få to maskiner (eller komponenter i dem), å snakke med hverandre, har vært åpenbare for eksperter i industriell automatisering og kontroll, før Tingenes Internett (IoT) ble vanlig. Verdiene i en temperatursensor i hjertet av en veivaksel som sendte målinger for å kontrollere motordrivreléet osv. Var klare, og en av kommunikasjonsprotokollene som ble brukt for å oppnå det var HART-protokollen.

Med over 30 millioner enheter basert på den, installert over hele verden, blir HART-protokollen ansett som den mest populære protokollen innen industriell automatisering, og dagens artikkel vil gi en oversikt over hva som gjør den så spesiell. Vi vil undersøke funksjonene, applikasjonene og oppgraderte versjonene som WirelessHART.

Oversikt

Highway Addressable Remote Transducer (HART) Protocol er en av de mest populære åpne kommunikasjonsprotokollene som brukes i industriell automatisering for å sende og motta digital informasjon via analoge ledninger mellom smarte enheter og kontrollsystemer. Denne protokollen er en fremgang av Serial Communication Protocol som RS485 og en begivenhet som også blir populært brukt i bransjene.

Den ble utviklet av Emerson på 1980-tallet som en proprietær kommunikasjonsprotokoll for å løse feilene i den eksisterende 4-20mA kommunikasjonsprotokollen, som bare kunne overføre en parameter eller målt verdi. Med HART kunne industriell automatiseringsarbeid oppnå toveiskommunikasjon som løste ulempene med 4-20mA, men også beholde infrastrukturen siden HART-protokollen kan sende digitale signaler ved å legge den på de analoge signalene uten forvrengning eller forstyrrelse.

Effekten av det ovennevnte er opprettelsen av to samtidige kommunikasjonskanaler: det 4-20mA analoge signalet og et digitalt signal. Denne kombinasjonen er grunnen til at protokollen er referert til som en hybridprotokoll. Typiske applikasjoner som instrumenteringsenheter kan bruke 4-20mA-signalet til å sende den primære måleverdien, og bruke det overliggende digitale signalet til å sende informasjon.

Støtten for 4-20mA-baserte enheter betydde at selskaper kunne fortsette å bruke sin eldre maskinvare. Dette, sammen med protokollen som ble "åpen", kjørte adopsjonsnivåene til protokollen høyt, til den ble de facto-standarden i bransjen

Arbeid med HART kommunikasjonsprotokoll

HART-kommunikasjon skjer mellom to HART-aktiverte enheter, vanligvis en smart feltenhet og et kontroll- eller overvåkingssystem. Som beskrevet tidligere, sender enheter basert på protokollen analogt signal ved hjelp av den eksisterende 4-20mA-tilnærmingen, og digitale signaler ved å legge signalet over (som et vekselstrømsignal) på det analoge 4-20mA-signalet ved hjelp av Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) standard.

FSK-prosedyren innebærer å overlegge sinusbølgene til to frekvenser, typisk 1200Hz og 2200Hz, som representerer bitene (henholdsvis 1 og 0) til dataene som sendes. Bruken av FSK sørger for at gjennomsnittsverdien av de to frekvensene alltid er null, slik at det analoge signalet ikke påvirkes av det digitale signalet.

Nettverkskonfigurasjonsmodi

For å møte behovene til forskjellige applikasjoner, kan enheter under HART Protocol konfigureres til å operere i to hovedmodi;

Punkt-til-punkt-modus
Multi-Drop-modus

1. Punkt-til-punkt nettverksmodus

I punkt-til-punkt-modus overlappes de digitale signalene på 4–20 mA-sløyfestrømmen på en slik måte at både 4–20 mA-strømmen og det digitale signalet kan brukes til å formidle meldinger mellom master og slave. Dette representerer den typiske applikasjonen av protokollen, med sekundære variabler og data, som kan brukes til overvåking, vedlikehold og diagnostiske formål, som blir utvekslet over de digitale signalene mens styresignaler sendes over den analoge halvdelen av protokollen. En illustrasjon av punkt-til-punkt-nettverkskonfigurasjonen er gitt i bildet nedenfor.

2. Multi-Drop nettverksmodus

Multi-Drop nettverkskonfigurasjonsmodus gjør det mulig å koble til flere enheter på samme ledningspar på en måte som ligner på adressebaserte protokoller som i2c. Kommunikasjon i multi-drop-modus er helt digital ettersom kommunikasjon gjennom den analoge sløyfestrømmen er deaktivert siden strømmen gjennom hver av enhetene er festet til en minimumsverdi som bare er tilstrekkelig for enhetsdrift (vanligvis 4mA). Multi-drop-nettverkskonfigurasjoner brukes vanligvis i tilsynsstyringsapplikasjoner som er vidt fordelt som i tankanlegg og rørledninger. Den Multi-drop nettverkskonfigurasjon er vist på bildet.

Kommunikasjonsmodi

Vanligvis, for kommunikasjon under HART-protokollen, kreves det at en enhet i nettverket, vanligvis et distribuert kontrollsystem eller PLC, blir utpekt som master, mens andre (r), vanligvis feltapparater som sensorer eller aktuatorer, betegnes som slaver.

Måten slavene kommuniserer med mesteren på, avhenger imidlertid av kommunikasjonsmodus som nettverket er konfigurert til. Et nettverk av HART-protokollkompatible enheter kan settes opp til å kommunisere i to moduser, nemlig;

Forespørsel-respons kommunikasjonsmodus
Burst-modus

1. Forespørsel-respons kommunikasjonsmodus

I modus for forespørsel-respons-kommunikasjon overfører slaveenheter bare informasjon når en forespørsel blir utstedt av masterenheten. Selv om denne modusen har sine ulemper, spesielt redusert kommunikasjonshastighet (2-3 dataoppdateringer per sekund), hjelper den å holde protokollen enkel og effektiv, enkel å implementere.

2. Burst-modus

For å gi rom for variasjon i applikasjonskrav, har protokollen en annen kommunikasjonsmodus kalt "Burst" -modus. I denne modusen kan slaveenhetene sende en enkelt informasjon kontinuerlig uten behov for gjentatte forespørsler fra mesteren. Denne modusen gir raskere kommunikasjonshastighet med opptil 3-4 oppdateringer per sekund, og den brukes vanligvis i scenarier der det kreves mer enn en HART-enhet for å lytte til kommunikasjon fra HART Loop.

For å tillate ekstern overvåking, ønsket for de fleste industrielle applikasjoner, støtter begge kommunikasjonsmodus opptil to mestere definert som primær og sekundær. Primærmesteren, som illustrert i bildet ovenfor, er vanligvis hovedstyrings- / overvåkingssystemet, mens den sekundære masteren vanligvis er en enhet som håndholdte terminaler aka HART Communicator, som bare er koblet til HART-sløyfen i en kort periode.

fordeler

Noen av fordelene med HART-protokollen fremfor andre i klassen inkluderer:

1. Toveiskommunikasjon

Bruken av et 4-20mA analogt signal tillater for eksempel informasjonsflyten i bare én retning (sender til mottaker). Med HART-kommunikasjon kan data bevege seg i begge retninger.

2. Nye typer informasjon

Tradisjonelle kommunikasjonskanaler som 4-20mA tillater kun kommunikasjon av en enkelt prosessvariabel uten rom for validering, men med HART kan du få opptil 40 tilleggsinformasjon sammen med prosessvariabelen.

Noen eksempler på tilleggsinformasjon som kan hentes fra HART-baserte enheter inkluderer;

Enhetsstatus og diagnostiske varsler
Behandle variabler og enheter
Sløyfestrøm og% rekkevidde
Grunnleggende konfigurasjonsparametere
Produsent og enhetsmerke

Ved å bruke en kombinasjon av denne ekstra informasjonen kan HART-enheter rapportere problemer med konfigurasjon eller operasjoner til hoved- / vertsenheten. Dette bidrar til å redusere behovet for rutinemessige kontroller og kan være veldig nyttig for prediktivt vedlikehold.

3. Multivariable Devices

I digital modus kan et enkelt ledningspar håndtere flere variabler. For eksempel kan en sender håndtere innganger fra flere sensorer

4. Leverandøruavhengighet

Alt relatert til HART ble overlevert av Emerson til HART Communications Foundation, som sådan er standardene åpne og ikke spesifikke for en leverandør. Dette betyr at det ikke er fare for å bli låst inn i en begrenset leverandørspesifikke eller regionale "standarder".

5. Forsyningsbredde

HART er for tiden ansett som den mest støttede protokollen for prosessindustrien på tvers av ordet. Det er så populært at sannsynligheten for at en industriell enhet er HART-kompatibel er nesten 1.

6. Interoperabilitet

HART-kompatible enheter og vertssystemer kan fungere sammen uavhengig av leverandør, modeller og andre problemer med kompatibilitet / interoperabilitet som plager nettverk. Selv vertsenheter som ikke er designet for å håndtere digital informasjon fra en HART-enhet, vil fremdeles ha et visst nivå av interoperabilitet med kommunikasjon gjennom det 4-20 mA analoge signalet.

WirelessHART

HART-protokollen har utviklet seg gjennom årene med fremskritt innen teknologi og økt sofistikering av brukstilfeller. Et av de siste produktene i utviklingen er en ny teknologi kalt WirelessHART, som tilbyr helt nye muligheter med trådløs overføring av HART-informasjon.

Det er den første standardiserte (IEC62591) trådløse kommunikasjonsprotokollen innen prosessautomatisering. I motsetning til den vanlige HART-protokollen støtter den på dette stadiet bare kommunikasjon over det digitale signalet, da den analoge kommunikasjonen ikke er gitt siden ingen tilkoblingskabel brukes.

For øyeblikket er det to forskjellige WirelessHART-løsninger inkludert;

En WirelessHART-adapter for forbedring av eksisterende HART-enheter
En selvdrevet WirelessHART-sender.

WirelessHART kan brukes på eksisterende kablede instrumenter for å samle den enorme mengden informasjon som tidligere var strandet i instrumentet, og gir også en kostnadseffektiv, enkel og pålitelig måte å distribuere nye måle- og kontrollpunkter uten ledningskostnadene.