Protokol HART: arhitektura, delovanje in njegove aplikacije

Trenutno v industrijska avtomatizacija , uporabljajo se različne vrste pametnih terenskih naprav, vendar je nadzorovanje vsake naprave znotraj industrije s strani oblasti ali terenskih inženirjev zelo težko. Na splošno je tovrsten nadzor dosežen s pametnimi napravami, ki omogočajo prenos podatkov med različnimi povezanimi napravami znotraj in zunaj industrije do glavnega nadzornega sistema. Tako je bil protokol HART uveden leta 1980 in temelji na standardih Bell 202. Ta protokol je postal industrijski standard, zato se uporablja v industrijski avtomatizaciji. Ta članek torej obravnava pregled protokol HART – delo z aplikacijami.

Kaj je protokol HART?

Izraz HART v protokolu HART pomeni »Highway Addressable Remote Transducer«, ki je protokol odprtega standarda, ki se uporablja po vsem svetu za prenos in sprejemanje digitalnih podatkov z analognim ožičenjem med pametnimi napravami in nadzorni sistemi . Ta protokol je zelo priljubljen, tako da se preko 30 milijonov naprav po vsem svetu napaja s protokolom HART. Ta protokol se uporablja za vzpostavitev komunikacije med gostiteljskimi sistemi in pametnimi terenskimi napravami v industriji.

Protokol HART je pridobil večjo priljubljenost zaradi svoje zmožnosti podpiranja starejšega analognega protokola, ki temelji na 4–20 mA, hkrati pa vključuje glavne prednosti digitalnih pametnih instrumentov.
Ta protokol opisuje tehnologijo fizične povezave in tudi ukaze, ki jih uporabljajo različne aplikacije. Ukazi Hart so tri vrste: univerzalni, običajni in specifični za napravo.
Ukazi univerzalnega tipa se izvajajo prek vseh naprav HART. Te ukaze v glavnem uporablja krmilnik za identifikacijo terenske naprave kot tudi za branje podatkov procesa.

Ukazi običajne prakse se uporabljajo za opis različnih funkcij, ki se običajno uporabljajo samo za terenske naprave. Te naprave vključujejo ukaze za spreminjanje obsega, izbiro inženirskih enot in izvajanje samotestiranja.

Ukazi vrste, specifične za napravo, niso enaki za vsako napravo. Ti ukazi izvajajo edinstvene funkcije konfiguracije in spreminjanja. Zato je zelo pomembno opozoriti, da ko naprave različnih proizvajalcev zunanje izvajajo podobno funkcionalnost. Merjenje diferenčnega tlaka lahko na primer vključuje popolnoma različno strojno opremo in tudi različne nabore ukazov, specifične za napravo.

Arhitektura protokola HART

Protokol HART deluje v dveh omrežnih konfiguracijah, kot sta točka do točke in več točk, ki sta obravnavani spodaj.

Konfiguracija omrežja od točke do točke

V omrežni konfiguraciji od točke do točke se za komunikacijo ene same procesne spremenljivke uporablja fiksni signal 4–20 mA, medtem ko se dodatne procesne spremenljivke in konstrukcijski parametri digitalno prenašajo s protokolom HART. Analogni signal 4–20 mA torej ni spremenjen s signalom HART in ga je mogoče uporabiti na običajen način. Komunikacijski digitalni signal HART zagotavlja pravico do vnosa v sekundarne spremenljivke in druge podatke je mogoče uporabiti za vzdrževanje, zagon, delovanje in diagnostične namene.

Konfiguracija omrežja Multi Drop

Ta konfiguracija omrežja omogoča povezavo različnih naprav z enim parom žic. Komunikacija znotraj te konfiguracije je popolnoma digitalna, saj je komunikacija skozi tok analogne zanke onemogočena, saj je tok v vsaki napravi fiksiran na minimalno zadostno vrednost za delovanje naprave običajno 4 mA.

Kako deluje komunikacija HART?

Komunikacijski protokol HART uporablja standard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) za prekrivanje digitalnih signalov, ki so predstavljeni z dvema različnima frekvencama, kot sta 1200 Hz in 2200 Hz. Tu frekvenca 1.200 Hz predstavlja bit 1, frekvenca 2.200 Hz pa bit 0.

Ko sinusni valovi s temi frekvencami preidejo na DC analogne signalne kable, pride do prenosa podatkov. Torej med tem prenosom podatkov signal 4–20 mA ni prizadet, ker je standardna vrednost signala za premik frekvence enaka nič. Ta protokol hkrati podpira dva komunikacijska kanala, kot sta analogni signal 4–20 mA in digitalni signal.

Analogni signal sporoči primarno izmerjeno vrednost s tokovno zanko 4–20 mA, medtem ko se dodatni podatki naprave posredujejo prek digitalnega signala, ki je prekrit z analognim signalom.
Digitalni signal vključuje informacije o napravi, kot so stanje naprave, diagnostika, izračunane vrednosti itd. Oba komunikacijska kanala skupaj ponujata zelo robustno in poceni komunikacijsko rešitev, ki je zelo preprosta za uporabo in konfiguracijo. Ta protokol se pogosto imenuje hibridni protokol, ker združuje analogno in digitalno komunikacijo.

Tehnologija HART se razlikuje kot glavni/podrejeni protokol, ker podrejena naprava deluje šele, ko je nanjo povezana glavna naprava. Tu je podrejena naprava pametna naprava, glavna naprava pa računalnik.

Načini protokola HART

Na splošno je za komunikacijo znotraj protokola HART naprava, ki se uporablja v omrežju, PLC ali porazdeljeni nadzorni sistem, ki je izbran kot glavni, medtem ko se druge terenske naprave štejejo za podrejene, kot so senzorji ali aktuatorji. Toda tukaj je komunikacija med master in slave odvisna predvsem od načina komunikacije, na katerega je sistem urejen. Omrežje protokola HART komunicira v dveh načinih, kot sta glavni/podrejeni način in rafalni način.

Glavni/podrejeni način

Ta način je znan tudi kot način zahteva-odgovor. V tem načinu podrejene naprave preprosto posredujejo podatke, ko je izdana zahteva glavne naprave. Za vsako zanko HART se lahko povežeta dva glavna. Primarni glavni je torej običajno DCS (distribuirani nadzorni sistem), PC (osebni računalnik) ali PLC (programabilni logični krmilnik), medtem ko je sekundarni glavni drug osebni računalnik ali ročni terminal. Podrejene naprave so aktuatorji, krmilniki in oddajniki, ki reagirajo na ukaze nadrejenih naprav.

Zaporedni način

Nekatere naprave, ki podpirajo protokol HART, preprosto podpirajo ta komunikacijski način. Ta način omogoča hitrejšo komunikacijo, kot so tri do štiri posodobitve podatkov na vsako sekundo. Glavna naprava v tem načinu naroči pomožni napravi, naj neprekinjeno oddaja tipično odgovorno sporočilo HART. Nadrejeni dobi sporočilo z veliko hitrostjo, dokler ne ukaže podrejenemu, naj neha razpadati. Ta način je uporaben, kadar je potrebna zgornja naprava HART za komunikacijo iz zanke HART.

Protokol HART proti Modbusu

Razlika med protokoloma HART in Modbus vključuje naslednje.

Prednosti

The prednosti protokola HART vključujejo naslednje.

• Naprave, ki jih omogoča protokol HART, preprosto omogočajo uporabnikom, da naprave uporabljajo najfinejše podatke za optimizacijo njihovih operativnih sposobnosti.
• Zmanjšuje čase izpadov zaradi okvare opreme s prepoznavanjem morebitnih težav, preden se zgodijo.
• Zmanjšuje stroške zalog in vzdrževanja naprav.
• Skrajša čakalne dobe za prepoznavanje in rešitev težave.
• Z uporabo napredne diagnostike izboljša ravni celovitosti varnosti.
• Prednosti izbire protokola HART vključujejo predvsem; digitalna zmogljivost, analogna zmogljivost, razpoložljivost in interoperabilnost.
• Ta protokol je mogoče uporabiti tudi z različnimi napravami in senzorji.
• Naprave, ki temeljijo na protokolu HART, so široko sprejete v industriji.
• Ta protokol poveča razpoložljivost sistema, pravilnost napredka itd.

Slabosti

The slabosti protokola HART vključujejo naslednje.

• Digitalni signal znotraj prenosa HART je dokaj počasen.
• Pri razporeditvi z več točkami analogni signal ni dostopen in št. naprav, ki lahko razdelijo prenosni vod, je omejeno.
• V vsakem trenutku lahko spremlja samo eno procesno spremenljivko.
• Ta vrsta protokola je nekoliko počasna v primerjavi z drugimi sistemi Fieldbus, kot sta Profibus & Foundation Fieldbus. Tako počasen odzivni čas povzroča nekaj težav v nekaterih industrijskih aplikacijah.
• Na splošno je hitrost protokola HART zadostna za preproste nadzorne sisteme, kjer se spremenljivke procesa ne spreminjajo hitro.

Aplikacije

The aplikacije protokola HART vključujejo naslednje.

• Protokol HART se po vsem svetu uporablja za prenos in sprejemanje digitalnih podatkov z analognim ožičenjem med pametnimi napravami in nadzornimi sistemi.
• To je zelo priljubljen protokol, ki se uporablja v industrijski avtomatizaciji.
• Ta protokol je namenjen predvsem analizi pametnih naprav.
• To se pogosto uporablja v procesnih in instrumentacijskih sistemih.
• Ta vrsta komunikacijskega protokola je idealna za večvariabilne instrumente, ki vključujejo merilnike masnega pretoka, kjer je mogoče volumski pretok, masni pretok, gostoto in temperaturo sporočiti krmilnemu sistemu prek enega kabla.
• Ta protokol je zasnovan predvsem za uporabo v aplikacijah za nadzor in merjenje industrijskih procesov.
• Protokol HART se uporablja predvsem v procesni industriji za komunikacijo med različnimi napravami.

Tako je to an delovanje protokola HART . Ta protokol je globalni standard, ki se uporablja za prenos in sprejemanje digitalnih podatkov prek analognih žic med pametnimi terenskimi napravami ter sistemi za spremljanje ali nadzor, kot so sistemi DCS in PLC. Ta dvosmerni komunikacijski protokol preprosto zagotavlja pravico do vstopa v dodatne podatke med terenskim in gostiteljskim krmilnikom, od ročne naprave do sistema za upravljanje sredstev ali krmilnika obrata. Tukaj je vprašanje: Kakšna je polna oblika protokola HART?