Вступ до протоколу зв'язку віддаленого перетворювача "харт - магістраль"

Переваги отримання двох машин (або їх компонентів) для спілкування між собою були очевидними для експертів з промислової автоматизації та управління ще до того, як Інтернет речей (IoT) став основним. Значення температурного датчика в основі колінчастого валу, що відправляє вимірювання для управління реле двигуна тощо, були чіткими, і одним із протоколів зв'язку, який використовувався для досягнення цього, був протокол HART.

Понад 30 мільйонів пристроїв на його основі, встановлених у всьому світі, протокол HART вважається найпопулярнішим протоколом у промисловій автоматизації, і сьогоднішня стаття надасть огляд того, що робить його таким особливим. Ми розглянемо його функції, програми та оновлені версії, такі як WirelessHART.

Огляд

Протокол HART (High Address Addressable Remote Transducer) - один із найпопулярніших протоколів відкритого зв'язку, що використовується в промисловій автоматизації для передачі та отримання цифрової інформації за допомогою аналогового підключення між інтелектуальними пристроями та системами управління. Цей протокол є вдосконаленням протоколу послідовного зв'язку, такого як RS485, і подія, яка також широко використовується в галузях промисловості.

Він був розроблений Емерсоном у 1980-х роках як власний протокол зв'язку для усунення дефектів існуючого протоколу зв'язку 4-20 мА, який міг передавати лише один параметр або виміряне значення. За допомогою HART зусилля промислової автоматизації могли б досягти двонаправлених комунікацій, які виправили недоліки 4-20 мА, але також зберегли свою інфраструктуру, оскільки протокол HART може надсилати цифрові сигнали, накладаючи їх на аналогові сигнали без спотворень та перешкод.

Ефектом вищезазначеного є створення двох одночасних каналів зв'язку: аналоговий сигнал 4-20 мА та цифровий сигнал. Ця комбінація, чому протокол називають гібридним протоколом. Типові програми, такі як контрольно-вимірювальні прилади, можуть використовувати сигнал 4-20 мА для передачі первинного виміряного значення, а накладений цифровий сигнал - для передачі інформації.

Підтримка пристроїв на базі 4-20 мА означала, що компанії можуть продовжувати використовувати своє застареле обладнання. Це, поряд із тим, що протокол став «відкритим», підвищило рівень прийняття протоколу до тих пір, поки він не став фактичним стандартом у галузі

Працює протокол зв'язку HART

Зв'язок HART відбувається між двома пристроями з підтримкою HART, як правило, інтелектуальним польовим пристроєм та системою управління або контролю. Як було описано раніше, пристрої, що базуються на протоколі, передають аналоговий сигнал, використовуючи існуючий підхід 4-20 мА, та цифрові сигнали, накладаючи сигнал (як сигнал змінного струму) на аналоговий сигнал 4-20 мА, використовуючи маніпуляцію частотою зсуву Bell 202 FSK) стандарт.

Процедура FSK включає накладення синусоїд двох частот, як правило, 1200 Гц і 2200 Гц, які представляють біти (1 і 0 відповідно) даних, що надсилаються. Використання FSK гарантує, що середнє значення двох частот завжди дорівнює нулю, гарантуючи, що цифровий сигнал не впливає на аналоговий сигнал.

Режими конфігурації мережі

Для задоволення потреб різних додатків пристрої за протоколом HART можуть бути налаштовані на роботу в двох основних режимах;

Режим "точка-точка"
Режим багатократного падіння

1. Режим мережі точка-точка

У режимі точка-точка цифрові сигнали накладаються на струм петлі 4–20 мА таким чином, що як струм 4–20 мА, так і цифровий сигнал можуть бути використані для передачі повідомлень між ведучим та веденим пристроєм. Це являє собою типове застосування протоколу з вторинними змінними та даними, які можуть бути використані для моніторингу, обслуговування та діагностики, обмінюючись цифровими сигналами, тоді як керуючі сигнали надсилаються через аналогову половину протоколу. Ілюстрація конфігурації мережі "точка-точка" наведена на зображенні нижче.

2. Багатократний мережевий режим

Режим конфігурації мережі Multi-Drop дозволяє підключати кілька пристроїв до однієї пари проводів способом, подібним до протоколів на основі адрес, таких як i2c. Зв'язок у режимі багатократного падіння є повністю цифровим, оскільки зв'язок через аналоговий контур струму відключений, оскільки струм через кожен з пристроїв фіксований на мінімальному значенні, достатньому для роботи пристрою (зазвичай 4 мА). Конфігурації мережі з декількома краплями зазвичай використовуються в додатках наглядового управління, які широко розташовані, як на резервуарних фермах та трубопроводах. Налаштування мережі Multi-Drop показано на малюнку нижче.

Режими зв'язку

Як правило, для зв'язку за протоколом HART один пристрій у мережі, як правило, розподілена система управління або ПЛК, повинен бути призначений головним, тоді як інші (зазвичай) польові пристрої, такі як датчики або виконавчі пристрої, позначаються як підлеглі.

Однак спосіб, за допомогою якого ведені зв'язуються з ведучим, залежить від режиму зв'язку, на який налаштована мережа. Мережа пристроїв, сумісних з протоколом HART, може бути налаштована для зв'язку в двох режимах, а саме;

Режим зв'язку запит-відповідь
Режим серійної зйомки

1. Режим спілкування запит-відповідь

У режимі зв’язку запит-відповідь підлеглі пристрої передають інформацію лише тоді, коли головний пристрій видає запит. Хоча цей режим має свої недоліки, особливо знижену швидкість зв'язку (2-3 оновлення даних в секунду), він допомагає підтримувати протокол простим, ефективним та легким у реалізації.

2. Режим серійної зйомки

Щоб звільнити місце для змін у вимогах програми, протокол має ще один режим зв’язку, який називається “Burst” Mode. У цьому режимі підпорядковані пристрої можуть надсилати один фрагмент інформації безперервно, без необхідності повторних запитів від ведучого. Цей режим забезпечує більш високу швидкість зв'язку з 3-4 оновленнями в секунду, і він зазвичай використовується в сценаріях, коли для прослуховування зв'язку з петлі HART потрібно більше одного пристрою HART.

Для забезпечення зовнішнього моніторингу, бажаного для більшості промислових застосувань, обидва режими зв'язку підтримують до двох майстрів, визначених як первинний та вторинний. Основний ведучий, як показано на зображенні вище, зазвичай є основною системою управління / моніторингу, тоді як вторинний ведучий, як правило, є пристроєм, таким як портативні термінали, який називається HART Communicator, який підключений до петлі HART лише на короткий період.

Переваги

Деякі переваги протоколу HART перед іншими у своєму класі включають;

1. Двостороння комунікація

Наприклад, використання аналогового сигналу 4-20 мА дозволяє передавати інформацію лише в одному напрямку (передавач на приймач). Завдяки зв'язку HART дані можуть передаватися в обидві сторони.

2. Нові типи інформації

Традиційні канали зв'язку, такі як 4-20 мА, дозволяють передавати лише одну змінну процесу без місця для перевірки, але за допомогою HART ви зможете отримати до 40 додаткової інформації разом із змінною процесу.

Деякі приклади додаткової інформації, яку можна отримати з пристроїв на базі HART, включають;

Стан пристрою та діагностичні сповіщення
Змінні та одиниці обробки
Струм петлі та діапазон%
Основні параметри конфігурації
Тег виробника та пристрою

Використовуючи комбінацію цієї додаткової інформації, пристрої HART можуть самостійно повідомляти про проблеми з їх конфігурацією або операціями на головний / хост-пристрій. Це допомагає зменшити потребу в планових оглядах і може бути дуже корисним для інтелектуального обслуговування.

3. Багатоваріантні пристрої

У цифровому режимі одна пара проводів може обробляти кілька змінних. Наприклад, один передавач може обробляти входи від декількох датчиків

4. Незалежність продавця

Все, що стосується HART, Емерсон передав Фонду комунікацій HART, оскільки такі стандарти є відкритими і не стосуються лише одного постачальника. Це означає, що немає небезпеки потрапляння в обмежені обмеження конкретних постачальників чи регіональних "стандартів".

5. Ширина пропозиції

В даний час HART вважається найбільш широко підтримуваним протоколом для переробної промисловості. Він настільки популярний, що ймовірність того, що промисловий пристрій буде сумісним з HART, становить майже 1.

6. Сумісність

Пристрої та хост-системи, сумісні з HART, можуть працювати разом, незалежно від постачальника, моделей та інших проблем сумісності / сумісності, які мучать мережі. Навіть хост-пристрої, які не були розроблені для обробки цифрової інформації з пристрою HART, все одно матимуть певний рівень взаємодії зі зв'язками через аналоговий сигнал 4-20 мА.

WirelessHART

Протокол HART розвивався протягом багатьох років завдяки вдосконаленню технологій та вдосконаленню випадків використання. Одним із останніх продуктів його розвитку є нова технологія під назвою WirelessHART, яка пропонує абсолютно нові можливості бездротової передачі інформації HART.

Це перший стандартизований (IEC62591) протокол бездротового зв'язку в галузі автоматизації процесів. На відміну від звичайного протоколу HART, він на цьому етапі підтримує лише зв'язок через цифровий сигнал, оскільки аналоговий зв'язок не забезпечується, оскільки не використовується з'єднувальний кабель.

В даний час існує два різні рішення WirelessHART, включаючи;

Адаптер WirelessHART для вдосконалення існуючих пристроїв HART
Бездротовий передавач HART із власним живленням.

WirelessHART може бути використаний на існуючих дротових приладах для збору величезної кількості інформації, яка раніше потрапляла в прилад, а також забезпечує економічно ефективний, простий і надійний спосіб розгортання нових точок вимірювання та контролю без витрат на проводку.