نمای کلی HART

اکثر دستگاه های میدانی هوشمند که امروزه در سراسر جهان نصب شده اند دارای شبکه HART هستندو از پروتکل HART استفاده میکنند . اما برخی از موارد جدید در زمینه اتوماسیون ممکن است نیاز به تجدید این فناوری قدرتمند داشته باشد.

به بیان ساده ، پروتکل HART (Highway Addressable Remote Transducer) استاندارد جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات دیجیتالی از طریق سیم های آنالوگ بین دستگاه های هوشمند و سیستم کنترل یا نظارت یا ارتباطات دستی است.

به طور خاص ، HART یک پروتکل ارتباطی دو جهته است که دسترسی داده ها را بین ابزارهای میدانی هوشمند و سیستم های میزبان (DCS/PLC یا Handheld Communicator) فراهم می کند. به همین میزبان می تواند هر برنامه نرم افزاری از دستگاه یا لپ تاپ تکنسین گرفته تا کنترل فرآیند کارخانه ، مدیریت دارایی ، ایمنی یا سایر سیستم ها با استفاده از هر پلت فرم کنترلی باشد.

تکنولوژی HART

استفاده از فناوری HART هنگام استفاده و راه اندازی و کالیبراسیون دستگاه های هوشمند و همچنین تشخیص مداوم آنلاین ، بسیار آسان است و بسیار قابل اعتماد است. دلایل متعددی برای ارتباط میزبان با دستگاه های هوشمند وجود دارد.

این امکانات شامل: پیکربندی دستگاه ، عیب یابی دستگاه ، خواندن مقادیر اندازه گیری اضافی ارائه شده توسط دستگاه ، سلامت دستگاه و وضعیت فعلی آن می باشد .

طی سالها موفقیت در استفاده از این مزایا توضیح می دهد که چرا فناوری HART بزرگترین پروتکل ارتباطی است که در بیش از ۳۰ میلیون دستگاه در سراسر جهان نصب شده است.

اگر تا به حال از تلفن ثابت استفاده کرده اید و متوجه صفحه Caller ID شده اید تا توجه داشته باشید چه کسی تماس می گیرد ، نیمی از پروتکل HART را می دانید-به این معنی است که “چه کسی” تماس می گیرد.

در یک شبکه اتوماسیون صنعتی “چه کسی” یک دستگاه میدان هوشمند مبتنی بر ریزپردازنده است. HART Communication علاوه بر اینکه به چنین دستگاه های میدانی هوشمند “تلفن خانه” می دهد ، به سیستم میزبان اجازه می دهد تا داده ها را به ابزار هوشمند ارسال کند.

HART در اواخر دهه ۱۹۸۰ بر اساس همان فناوری بوجود آمد که شناسه تماس گیرنده را به تلفن آنالوگ رساند. توسعه مداوم را تجربه کرده است ، از جمله محصولات اتوماسیون که اکنون با WirelessHART Communication داخلی ارسال می شوند.

HART چگونه کار می کند ؟

“HART” مخفف Highway Addressable Remote Transducer است. پروتکل HART از استاندارد Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) برای قرار دادن سیگنالهای ارتباطی دیجیتال ذر بستر ارتباطی ۴-۲۰mA استفاده می کند.

کلید تغییر فرکانس :

پروتکل ارتباطی HART بر اساس استاندارد ارتباطات تلفنی Bell 202 است و با استفاده از اصل کلید زنی تغییر فرکانس (FSK) عمل می کند. سیگنال دیجیتال از دو فرکانس تشکیل شده است – ۱۲۰۰ هرتز و ۲۲۰۰ هرتز که به ترتیب بیت های ۱ و ۰ را نشان می دهند.

امواج سینوسی این دو فرکانس بر روی کابل های سیگنال آنالوگ جریان مستقیم (DC) قرار می گیرند تا ارتباطات آنالوگ و دیجیتال همزمان را ارائه دهند. از آنجا که مقدار متوسط ​​سیگنال FSK همیشه صفر است ، سیگنال آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر تحت تأثیر قرار نمی گیرد. سیگنال ارتباطات دیجیتالی دارای زمان پاسخگویی تقریباً ۲-۳ بار در ثانیه بدون قطع سیگنال آنالوگ است.

حداقل امپدانس حلقه ۲۳۰ اهم برای ارتباط مورد نیاز است. این امر امکان برقراری ارتباط دوطرفه میدانی را فراهم می آورد و این امکان را می دهد که اطلاعات اضافی فراتر از متغیر فرایند معمولی به ازای یک ابزار میدان هوشمند ارسال شود.

پروتکل HART بدون قطع سیگنال ۴-۲۰mA با سرعت ۱۲۰۰ bps ارتباط برقرار می کند و به برنامه میزبان (master) اجازه می دهد دو یا چند به روزرسانی دیجیتالی در ثانیه از یک دستگاه میدان هوشمند دریافت کند. از آنجا که سیگنال دیجیتال FSK فاز پیوسته است ، هیچ تداخلی با سیگنال ۴-۲۰mA وجود ندارد.

فناوری HART یک پروتکل master/slave است ، به این معنی که یک دستگاه فیلد هوشمند (slave) فقط زمانی صحبت می کند که توسط یک استاد صحبت می شود. پروتکل HART می تواند در حالت های مختلف مانند نقطه به نقطه یا چند قطره برای انتقال اطلاعات از ابزارهای میدانی هوشمند و سیستم های کنترل یا نظارت مرکزی استفاده شود.

ارتباط HART بین دو دستگاه مجهز به HART ، معمولاً یک دستگاه میدان هوشمند و یک سیستم کنترل یا نظارت ایجاد می شود. ارتباطات با استفاده از سیم استاندارد ابزار استاندارد و با استفاده از سیم کشی استاندارد و شیوه های خاتمه انجام می شود.

پروتکل HART دو کانال ارتباطی همزمان را فراهم می کند: سیگنال آنالوگ ۴-۲۰mA و سیگنال دیجیتال. سیگنال ۴-۲۰ میلی آمپر مقدار اندازه گیری شده اولیه (در مورد ابزار میدانی) را با استفاده از حلقه جریان ۴-۲۰ میلی آمپر-سریع ترین و قابل اطمینان ترین استاندارد صنعت ، اعلام می کند. اطلاعات اضافی دستگاه با استفاده از یک سیگنال دیجیتالی که روی سیگنال آنالوگ قرار گرفته است ، منتقل می شود.

سیگنال دیجیتال شامل اطلاعات دستگاه از جمله وضعیت دستگاه ، تشخیص ، مقادیر اندازه گیری شده یا محاسبه شده و غیره است. در کنار هم ، دو کانال ارتباطی یک راه حل ارتباطی کم هزینه و بسیار قوی ارائه می دهند که استفاده و پیکربندی آن آسان است.

شبکه های HART

دستگاه های HART می توانند در یکی از دو پیکربندی شبکه-نقطه به نقطه یا چند قطره عمل کنند.

نقطه به نقطه: در حالت نقطه به نقطه ، سیگنال سنتی ۴-۲۰ میلی آمپر برای ارتباط یک متغیر فرایند استفاده می شود ، در حالی که متغیرهای فرایند اضافی ، پارامترهای پیکربندی و سایر داده های دستگاه با استفاده از پروتکل HART به صورت دیجیتالی منتقل می شوند (شکل ۲).

سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر تحت تأثیر سیگنال HART قرار نمی گیرد و می توان از آن برای کنترل عادی استفاده کرد. سیگنال دیجیتالی ارتباطی HART به متغیرهای ثانویه و سایر داده هایی که می توانند برای عملیات ، راه اندازی ، نگهداری و تشخیص استفاده شوند ، دسترسی دارد.

پروتکل HART حداکثر دو کارشناسی ارشد (اولیه و ثانویه) را ارائه می دهد. این اجازه می دهد تا از استادان ثانویه مانند ارتباطات دستی بدون دخالت در ارتباطات از استاد اصلی ، یعنی سیستم کنترل/نظارت استفاده شود.

پروتکل HART به کلیه ارتباطات دیجیتالی با دستگاه های میدانی در پیکربندی های شبکه نقطه به نقطه یا چند قطره اجازه می دهد:

پیکربندی چند قطره

همچنین یک حالت ارتباطی “پشت سر هم” اختیاری وجود دارد که در آن یک دستگاه برده می تواند پیغام استاندارد پاسخ HART را به طور مداوم پخش کند. با این حالت ارتباطی متوالی اختیاری ، نرخ به روز رسانی بالاتر امکان پذیر است و استفاده از آن معمولاً به پیکربندی نقطه به نقطه محدود می شود.

حالت عملکرد چند قطره تنها به یک جفت سیم و در صورت لزوم ، موانع ایمنی و منبع تغذیه کمکی برای حداکثر ۱۵ دستگاه میدانی نیاز دارد. تمام مقادیر فرآیند به صورت دیجیتالی منتقل می شوند. در حالت چند قطره ، همه آدرس های رای گیری دستگاه فیلد بزرگتر از ۰ هستند و جریان هر دستگاه به حداقل مقدار (معمولاً ۴ میلی آمپر) ثابت می شود .

مد های شبکه

۱. Master Slave Mode

HART یک پروتکل ارتباطی master-slave است ، به این معنی که در طول عملکرد عادی ، هر ارتباط برده (دستگاه میدان) توسط یک دستگاه ارتباط اصلی آغاز می شود. دو استاد می توانند به هر حلقه HART متصل شوند. استاد اصلی به طور کلی یک سیستم کنترل توزیع شده (DCS) ، کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا یک رایانه شخصی (PC) است. استاد ثانویه می تواند یک ترمینال دستی یا رایانه دیگری باشد. دستگاه های برده شامل فرستنده ها ، محرک ها و کنترل کننده هایی هستند که به دستورات اصلی یا ثانویه پاسخ می دهند

۲. Burst Mode

برخی از دستگاه های HART از حالت ارتباطی پشت سر هم اختیاری پشتیبانی می کنند. حالت پشت سر هم امکان برقراری ارتباط سریعتر (۳-۴ به روزرسانی داده در ثانیه) را فراهم می کند. در حالت پشت سر هم ، دستگاه اصلی به دستگاه برده دستور می دهد تا یک پیام پاسخ استاندارد HART (به عنوان مثال ، مقدار متغیر پردازش) را به طور مداوم پخش کند. استاد پیام را با نرخ بالاتری دریافت می کند تا اینکه به برده دستور می دهد که ترکیدن را متوقف کند.

توصیف دستگاه

برخی از برنامه های میزبان HART از توصیف دستگاه (DD) برای به دست آوردن اطلاعات در مورد متغیرها و عملکردهای موجود در یک دستگاه فیلد HART استفاده می کنند. DD شامل تمام اطلاعات مورد نیاز یک برنامه میزبان برای ارتباط کامل با دستگاه میدانی است.

HART Device Description Language (DDL) برای نوشتن DD استفاده می شود که تمام اطلاعات مورد نیاز برنامه میزبان را در یک فایل ساختار یافته ترکیب می کند. DD مشخص می کند که کدام دستورات معمول تمرین و قالب و ساختار همه دستورات مخصوص دستگاه پشتیبانی می شود. DD برای دستگاه صحرایی HART تقریباً معادل درایور چاپگر برای رایانه است. DD ها نیازی به تامین کنندگان میزبان برای توسعه و پشتیبانی از رابط ها و درایورهای سفارشی ندارند.

DD تصویری از همه پارامترها و عملکردهای یک دستگاه به زبان استاندارد ارائه می دهد. تأمین کنندگان HART این امکان را دارند که DD را برای محصول HART خود تهیه کنند. در صورت انتخاب یکی ، DD اطلاعاتی را برای یک برنامه میزبان دارای قابلیت DD برای خواندن و نوشتن داده ها با توجه به رویه های هر دستگاه ارائه می دهد.

فایلهای منبع DD برای دستگاههای HART شبیه فایلهایی هستند که به زبان برنامه نویسی C نوشته شده اند. فایلهای DD برای ثبت در کتابخانه HCF DD به HCF ارسال می شوند. برای اطمینان از مطابقت مشخصات ، بررسی عدم وجود تعارض با DD هایی که قبلاً ثبت شده اند ، و بررسی عملکرد با میزبان های استاندارد HART ، بررسی کیفیت بر روی هر DD ارائه شده انجام می شود.

کتابخانه HCF DD مکان اصلی مدیریت و توزیع تمام DD های HART است تا استفاده از آن در برنامه های میزبان مانند رایانه های شخصی و پایانه های دستی تسهیل شود.

مزایای استفاده از HART

مهندسانی که در محیطهای اتوماسیون آنالوگ کار می کنند دیگر نیازی به کلمه “if only” ندارند مانند “اگر من می توانم اطلاعات دستگاه را بدون ورود به میدان بدست آورم” یا “فقط اگر بتوانم این اطلاعات پیکربندی را از آن فرستنده فشار به کامپیوترم دریافت کنم” . »

کاربرانی که در سراسر جهان به مزایای HART Communication پی برده اند ، می دانند که هنگام استفاده از تست دستی ، دستگاه های کالیبراسیون و رایانه های قابل حمل ، می توانند به سرعت و به آسانی به دستگاه های موجود در این زمینه دسترسی پیدا کنند. در واقع ، آزمایش ، تشخیص و پیکربندی دستگاه هرگز آسان تر نبوده است!

با این حال ، بسیاری هنوز بزرگترین مزایای فناوری HART را که از ارتباطات تمام وقت با سیستم های مدیریت و/یا کنترل دارایی زمان واقعی ناشی می شود ، درک نکرده اند.

فناوری HART می تواند به شما کمک کند

برای بهبود عملکرد ، از قابلیت های مجموعه کاملی از داده های دستگاه هوشمند استفاده کنید.
هشدارهای اولیه را در مورد تفاوت در عملکرد دستگاه ، محصول یا فرآیند دریافت کنید.
زمان عیب یابی بین شناسایی و حل مشکلات را تسریع کنید.
به طور مداوم یکپارچگی حلقه ها و استراتژی های سیستم کنترل/اتوماسیون را اعتبارسنجی کنید.
افزایش بهره وری دارایی ها و در دسترس بودن سیستم.

افزایش در دسترس بودن گیاهان

ادغام دستگاهها و سیستمها برای تشخیص مشکلات قبلاً غیرقابل تشخیص
مشکلات اتصال دستگاه و/یا پردازش را در زمان واقعی تشخیص دهید.
با به دست آوردن هشدارهای جدید و اولیه ، تأثیر انحرافات را به حداقل برسانید.
از هزینه بالای تعطیلی های برنامه ریزی نشده یا اختلال در فرآیند اجتناب کنید.

کاهش هزینه های نگهداری

حلقه کنترل و پیکربندی دستگاه را به سرعت تأیید و اعتبار کنید.
برای کاهش بررسی های غیر ضروری میدانی ، از تشخیص از راه دور استفاده کنید.
ضبط داده های روند عملکرد برای تشخیص تعمیر و نگهداری پیش بینی.
کاهش موجودی لوازم یدکی و هزینه های مدیریت دستگاه.

بهبود رعایت مقررات

ثبت خودکار داده های انطباق را فعال کنید.
آزمایش خاموش شدن ایمنی خودکار را تسهیل می کند.
سطح یکپارچگی SIL/ایمنی را با تشخیص پیشرفته بالا ببرید.
برای گزارش دقیق تر و دقیق تر از دستگاه های چند متغیره هوشمند استفاده کنید.

ویژگی های استاندارد فناوری HART از سازگاری ساده با شبکه های آنالوگ ۴-۲۰mA موجود تا انتخاب وسیع محصول:

سازگاری با سیم کشی استاندارد ۴-۲۰mA
انتقال همزمان داده های دیجیتالی
سادگی از طریق رابط های بصری مبتنی بر منو
کاهش ریسک از طریق یک پروتکل بسیار دقیق و قوی
سهولت اجرا برای حداکثر هزینه مقرون به صرفه “از پیش”
انتخاب گسترده محصول ، با دستگاه های سازگار و برنامه های کاربردی نرم افزار از اکثر ارائه دهندگان اتوماسیون فرآیند
استقلال بستر برای قابلیت همکاری کامل در محیط های چند فروشنده

مشخصات پروتکل HART

پروتکل HART در اواخر دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت و در اوایل دهه ۱۹۹۰ به بنیاد HART منتقل شد. از آن به بعد چندین بار به روز شده است. هنگامی که پروتکل به روز می شود ، به روشی به روز می شود که سازگاری عقب با نسخه های قبلی را تضمین کند. نسخه فعلی پروتکل HART نسخه ۷.۳ است. “۷” سطح تجدید نظر عمده و “۳” سطح تجدید نظر جزئی را نشان می دهد.

پروتکل HART لایه های ۱،۲ ، ۳ ، ۴ و ۷ مدل پروتکل ۷ لایه Open System Interconnection (OSI) را پیاده سازی می کند:

لایه فیزیکی HART بر اساس استاندارد Bell 202 ، با استفاده از کلید تغییر فرکانس (FSK) برای برقراری ارتباط با سرعت ۱۲۰۰ bps ساخته شده است. فرکانس های سیگنال که مقادیر بیت ۰ و ۱ را نشان می دهند به ترتیب ۲۲۰۰ و ۱۲۰۰ هرتز است. این سیگنال در سطح پایینی بر روی سیگنال اندازه گیری آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر قرار می گیرد بدون اینکه باعث ایجاد تداخل در سیگنال آنالوگ شود.

لایه پیوند داده HART یک پروتکل master-slave را تعریف می کند-در استفاده عادی ، یک دستگاه فیلد فقط وقتی با آن صحبت می شود پاسخ می دهد. به عنوان مثال ، یک سیستم کنترل به عنوان یک استاد اصلی و یک ارتباط دهنده HART دستی به عنوان یک استاد ثانویه می تواند دو استاد وجود داشته باشد. قوانین زمان بندی تعیین می کند که هر استاد می تواند یک معامله ارتباطی را آغاز کند. حداکثر ۱۵ دستگاه برده را می توان به یک جفت کابل چند قطره متصل کرد.

لایه شبکه خدمات مسیریابی ، امنیت کامل به پایان و حمل و نقل را ارائه می دهد. این برنامه “جلسات” را برای ارتباطات سرتاسری با دستگاه های خبرنگار مدیریت می کند.

لایه انتقال: لایه Data-Link تضمین می کند که ارتباطات با موفقیت از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می شود. از لایه حمل و نقل می توان برای اطمینان از موفقیت ارتباطات پایانی استفاده کرد.

لایه برنامه دستورات ، پاسخ ها ، انواع داده ها و گزارش وضعیت پشتیبانی شده توسط پروتکل را تعریف می کند. در لایه برنامه ، دستورات عمومی پروتکل به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند:

دستورات جهانی – عملکردهایی را ارائه می دهد که باید در همه دستگاه های میدانی اجرا شوند
دستورات تمرین متداول – عملکردهای مشترک برای بسیاری از دستگاههای میدانی را ارائه می دهد
دستورات خاص دستگاه – عملکردهایی را ارائه می دهد که منحصر به یک دستگاه زمینه خاص است و توسط سازنده دستگاه مشخص شده است
دستورات خانواده دستگاه-مجموعه ای از توابع استاندارد را برای ابزارهایی با انواع اندازه گیری خاص ارائه می دهد که دسترسی کامل به آنها را بدون استفاده از دستورات مخصوص دستگاه امکان پذیر می کند.

برنامه پیشرفته HART

قدرت پروتکل HART در نمودار کنترلی شکل زیر مشهود است. این برنامه ابتکاری از ویژگی ذاتی پروتکل HART استفاده می کند که سیگنالهای ارتباطی آنالوگ و دیجیتال ۴-۲۰ میلی آمپر به طور همزمان از طریق سیم کشی یکسان منتقل می شود.

در این برنامه ، فرستنده سازگار با HART دارای قابلیت کنترل داخلی PID است. دستگاه به گونه ای پیکربندی شده است که جریان حلقه ۴-۲۰ میلی آمپر متناسب با خروجی کنترل الگوریتم PID در دستگاه (نه متغیر اندازه گیری شده در اکثر برنامه های فرستنده) باشد. از آنجا که جریان حلقه ۴-۲۰ میلی آمپر توسط خروجی کنترل PID تنظیم می شود ، از آن برای هدایت مستقیم موقعیت سوپاپ استفاده می شود.

حلقه کنترل به طور کامل در زمینه بین فرستنده (با PID) و شیر کنترل اجرا می شود. عملکرد کنترل مداوم است زیرا سیگنال آنالوگ سنتی ۴-۲۰ میلی آمپر سوپاپ را هدایت می کند. ارتباط دیجیتالی HART اپراتور را با حلقه کنترل پیوند می دهد تا نقطه تنظیم را تغییر داده و متغیر اصلی یا خروجی موقعیت سوپاپ را بخواند. صرفه جویی قابل ملاحظه ای در برنامه هایی که این معماری کنترل نوآورانه مناسب است ، امکان پذیر است.

منبع :https://instrumentationtools.com/what-is-hart-protocol/