Protokół HART: architektura, działanie i jego zastosowania

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Obecnie w automatyka przemysłowa , wykorzystywane są różne typy inteligentnych urządzeń terenowych, ale monitorowanie każdego urządzenia jest bardzo trudne w branży przez władze lub inżynierów terenowych. Ogólnie rzecz biorąc, ten rodzaj monitorowania jest osiągany za pomocą inteligentnych urządzeń, które umożliwiają przesyłanie danych między różnymi podłączonymi urządzeniami w branży i poza nią do głównego systemu monitorowania. Tak więc protokół HART został wprowadzony w 1980 roku i opiera się na standardach Bell 202. Protokół ten stał się standardem branżowym, dlatego jest używany w automatyce przemysłowej. Tak więc w tym artykule omówiono omówienie Protokół HART – praca z aplikacjami.


Co to jest protokół HART?

Termin HART w protokole HART oznacza „Highway Addressable Remote Transducer”, który jest protokołem o otwartym standardzie używanym na całym świecie do przesyłania i odbierania danych cyfrowych za pomocą okablowania analogowego między inteligentnymi urządzeniami i systemy kontrolne . Protokół ten jest bardzo popularny, dlatego ponad 30 milionów urządzeń na całym świecie jest zasilanych protokołem HART. Protokół ten służy do nawiązywania komunikacji między systemami hosta, a także inteligentnymi urządzeniami polowymi w przemyśle.



Protokół HART zyskał większą popularność dzięki możliwości obsługi starszego protokołu analogowego opartego na 4-20 mA, przy jednoczesnym uwzględnieniu głównych zalet cyfrowego inteligentnego oprzyrządowania.
Protokół ten opisuje technologię połączenia fizycznego, a także polecenia używane przez różne aplikacje. Polecenia Hart to trzy typy Universal, Common Practice i Device Specific.
Polecenia typu uniwersalnego są implementowane przez wszystkie urządzenia HART. Polecenia te są używane głównie przez kontroler do identyfikacji urządzenia polowego oraz odczytu danych procesowych.

Polecenia typu Common Practice są używane do opisywania różnych funkcji, które zwykle mają zastosowanie tylko do urządzeń polowych. Urządzenia te zawierają polecenia do zmiany zakresu, wyboru jednostek inżynierskich i wykonywania autotestów.



Polecenia typu specyficzne dla urządzenia nie są takie same dla każdego urządzenia. Te polecenia wykonują unikalne funkcje konfiguracji i modyfikacji. Dlatego bardzo ważne jest, aby pamiętać, że gdy urządzenia różnych producentów wdrażają podobną funkcjonalność zewnętrznie. Na przykład pomiar różnicy ciśnień może obejmować całkowicie inny sprzęt, a także różne zestawy poleceń dla danego urządzenia.

Architektura protokołu HART

Protokół HART działa w dwóch konfiguracjach sieciowych, takich jak punkt do punktu i wielopunktowy, które zostały omówione poniżej.

Konfiguracja sieci punkt-punkt

W konfiguracji sieci punkt-punkt, do komunikacji pojedynczej zmiennej procesowej, wykorzystywany jest stały sygnał 4–20 mA, podczas gdy dodatkowe zmienne procesowe i parametry projektowe są przesyłane cyfrowo za pomocą protokołu HART. Tak więc sygnał analogowy 4–20 mA nie jest zmieniany przez sygnał HART i może być wykorzystywany w normalny sposób. Cyfrowy sygnał komunikacji HART zapewnia prawo do wejścia do drugorzędnych zmiennych, a inne dane mogą być wykorzystywane do konserwacji, uruchamiania, operacji i celów diagnostycznych.

  Konfiguracja sieci punkt-punkt
Konfiguracja sieci punkt-punkt

Konfiguracja sieci wielopunktowej

Taka konfiguracja sieci umożliwia połączenie różnych urządzeń za pomocą jednej pary przewodów. Komunikacja w tej konfiguracji jest całkowicie cyfrowa, ponieważ komunikacja przez pętlę analogową prądu jest wyłączona, ponieważ prąd w każdym urządzeniu jest ustalony na minimalnej wartości wystarczającej do działania urządzenia normalnie 4mA.

  Konfiguracja sieci wielopunktowej
Konfiguracja sieci wielopunktowej

Jak działa komunikacja HART?

Protokół komunikacyjny HART wykorzystuje standard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) do nakładania sygnałów cyfrowych, które są reprezentowane przez dwie różne częstotliwości, takie jak 1200 Hz i 2200 Hz. Tutaj częstotliwość 1200 Hz reprezentuje bit 1, podczas gdy częstotliwość 2200 Hz reprezentuje odpowiednio bit 0.

  Działanie protokołu HART
Działanie protokołu HART

Kiedy fale sinusoidalne o tych częstotliwościach są umieszczane na kablach sygnału analogowego prądu stałego, następuje transfer danych. Tak więc, podczas tego transferu danych, sygnał 4-20 mA nie ulega zmianie ze względu na standardową wartość sygnału kluczowania z przesunięciem częstotliwości równoważną zero. Protokół ten obsługuje jednocześnie dwa kanały komunikacyjne, takie jak sygnał analogowy 4-20 mA i sygnały cyfrowe.

Sygnał analogowy przekazuje pierwotną wartość mierzoną pętlą prądową 4-20 mA, podczas gdy dodatkowe dane urządzenia są przesyłane za pomocą sygnału cyfrowego, który jest nałożony na sygnał analogowy.
Sygnał cyfrowy zawiera informacje o urządzeniu, takie jak stan urządzenia, diagnostyka, obliczone wartości itp. Tak więc łącznie oba kanały komunikacyjne oferują bardzo solidne i niedrogie rozwiązanie komunikacyjne, które jest bardzo proste w użyciu i konfiguracji. Protokół ten jest często nazywany protokołem hybrydowym, ponieważ łączy w sobie komunikację analogową i cyfrową.

Technologia HART jest zróżnicowana jako protokół master/slave, ponieważ urządzenie slave działa tylko po podłączeniu do niego urządzenia master. Tutaj urządzenie podporządkowane jest urządzeniem inteligentnym, a urządzeniem głównym jest komputer.

Tryby protokołu HART

Ogólnie rzecz biorąc, do komunikacji w ramach protokołu HART, urządzeniem używanym w sieci jest PLC lub rozproszony system sterowania, który jest wybierany jako Master, podczas gdy inne urządzenia polowe są uważane za urządzenia podrzędne, takie jak czujniki lub siłowniki. Ale tutaj komunikacja między master i slave zależy głównie od trybu komunikacji, do którego system jest przystosowany. Sieć z protokołem HART komunikuje się w dwóch trybach, takich jak tryb master/slave i tryb burst.

Tryb Master/Slave

Ten tryb jest również znany jako tryb żądanie-odpowiedź. W tym trybie urządzenia podrzędne po prostu przesyłają dane po otrzymaniu żądania od urządzenia nadrzędnego. Do każdej pętli HART można podłączyć dwa urządzenia nadrzędne. Tak więc główny master to zwykle DCS (rozproszony system sterowania), PC (komputer osobisty) lub PLC (programowalny sterownik logiczny), podczas gdy drugi master to inny komputer PC lub terminal ręczny. Urządzenia podrzędne to siłowniki, kontrolery i nadajniki, które reagują na polecenia z urządzeń nadrzędnych.

Tryb serii

Niektóre urządzenia obsługujące protokół HART po prostu obsługują ten tryb komunikacji. Ten tryb umożliwia szybszą komunikację, np. trzy do czterech aktualizacji danych na sekundę. Urządzenie nadrzędne w tym trybie instruuje urządzenie podrzędne, aby przesyłało w sposób ciągły typowy komunikat odpowiedzi HART. Master otrzymuje wiadomość z dużą prędkością, dopóki nie nakaże niewolnikowi zaprzestania pękania. Ten tryb ma zastosowanie, gdy powyższe jedno urządzenie HART jest niezbędne do komunikacji z pętli HART.

Protokół HART a Modbus

Różnica między protokołem HART a Modbus obejmuje następujące elementy.

Protokół HART

Modbus

HART to protokół hybrydowy. Modbus to protokół transmisji danych.
HART jest szeroko stosowany w systemach procesowych i oprzyrządowania, od małej automatyki do bardzo skomplikowanych zastosowań przemysłowych. Modbus jest zwykle używany do przesyłania sygnałów z urządzeń oprzyrządowania i sterowania do systemu gromadzenia danych lub głównego sterownika.
Protokół ten działa w dwóch trybach operacyjnych, takich jak punkt do punktu i multi-drop. Modbus działa w dwóch trybach transmisji, takich jak ASCII Mode lub RTU Mode.

Zalety

The zalety protokołu HART obejmują następujące elementy.

  • Urządzenia, które są obsługiwane przez protokół HART, po prostu pozwalają użytkownikom na wykorzystanie najlepszych danych w celu optymalizacji ich zdolności operacyjnych.
  • Zmniejsza przestoje spowodowane awarią sprzętu, rozpoznając potencjalne problemy przed ich wystąpieniem.
  • Zmniejsza koszty inwentaryzacji i konserwacji urządzeń.
  • Skraca czas oczekiwania na rozpoznanie i rozwiązanie problemu.
  • Zwiększa poziom nienaruszalności bezpieczeństwa dzięki zaawansowanej diagnostyce.
  • Korzyści z wyboru protokołu HART obejmują głównie; możliwości cyfrowe, możliwości analogowe, dostępność i interoperacyjność.
  • Ten protokół może być również używany z różnymi urządzeniami i czujnikami.
  • Urządzenia oparte na protokole HART są szeroko akceptowane w przemyśle.
  • Protokół ten zwiększa dostępność systemu, regularność postępów itp.

Niedogodności

The wady protokołu HART obejmują następujące elementy.

  • Sygnał cyfrowy w transmisji HART jest dość wolny.
  • W przypadku aranżacji wielopunktowej sygnał analogowy nie jest dostępny i nie. liczba urządzeń, które mogą rozdzielić linię transmisyjną, jest ograniczona.
  • Może w dowolnym momencie monitorować tylko jedną zmienną procesową.
  • Ten typ protokołu jest nieco wolniejszy w porównaniu z innymi systemami Fieldbus, takimi jak Profibus i Foundation Fieldbus. Tak więc ten powolny czas odpowiedzi powoduje pewne trudności w niektórych aplikacjach przemysłowych.
  • Ogólnie rzecz biorąc, prędkość protokołu HART jest wystarczająca dla prostych systemów monitorowania, gdzie zmienne procesowe nie zmieniają się szybko.

Aplikacje

The zastosowania protokołu HART obejmują następujące elementy.

  • Protokół HART jest używany na całym świecie do przesyłania i odbierania danych cyfrowych za pomocą okablowania analogowego między inteligentnymi urządzeniami i systemami sterowania.
  • Jest to bardzo popularny protokół stosowany w automatyce przemysłowej.
  • Ten protokół służy głównie do analizy inteligentnych urządzeń.
  • Jest to szeroko stosowane w systemach procesowych i oprzyrządowania.
  • Ten typ protokołu komunikacyjnego jest idealny dla przyrządów o wielu zmiennych, w tym przepływomierzy masowych, wszędzie tam, gdzie przepływ objętościowy, masowy, gęstość i temperaturę można przesyłać do systemu sterowania za pomocą jednego kabla.
  • Protokół ten jest przeznaczony głównie do stosowania w aplikacjach sterowania i pomiarów procesów przemysłowych.
  • Protokół HART jest używany głównie w przemyśle przetwórczym do komunikacji pomiędzy różnymi urządzeniami.

Tak więc jest to obsługa protokołu HART . Protokół ten jest globalnym standardem używanym do przesyłania i odbierania danych cyfrowych za pośrednictwem przewodów analogowych między inteligentnymi urządzeniami polowymi, a także systemami monitorowania lub sterowania, takimi jak systemy DCS i PLC. Ten dwukierunkowy protokół komunikacyjny po prostu zapewnia prawo dostępu do dodatkowych danych między polem a sterownikiem hosta, od urządzenia przenośnego po system zarządzania aktywami lub sterownik zakładu. Oto pytanie: Jaka jest pełna forma protokołu HART?