Introduktion til hart - adresserbar kommunikationsprotokol til fjerntransducer

Fordelene ved at få to maskiner (eller komponenter i dem) til at tale med hinanden har været åbenlyst for eksperter inden for industriel automatisering og kontrol, inden Tingenes Internet (IoT) blev mainstream. Værdierne i en temperatursensor i hjertet af en krumtapaksel, der sendte målinger for at kontrollere motordrevrelæet osv. Var klare, og en af ​​de kommunikationsprotokoller, der blev brugt til at opnå det, var HART-protokollen.

Med over 30 millioner enheder baseret på det, installeret over hele verden, betragtes HART-protokollen som den mest populære protokol inden for industriel automatisering, og dagens artikel vil give et overblik over, hvad der gør den så speciel. Vi vil undersøge dens funktioner, applikationer og opgraderede versioner som WirelessHART.

Oversigt

Highway Addressable Remote Transducer (HART) -protokollen er en af ​​de mest populære åbne kommunikationsprotokoller, der bruges i industriel automatisering til at sende og modtage digital information via analoge ledninger mellem smarte enheder og kontrolsystemer. Denne protokol er et fremskridt med den serielle kommunikationsprotokol som RS485 og en begivenhed, som også populært bruges i brancher.

Det blev udviklet af Emerson i 1980'erne som en beskyttet kommunikationsprotokol til at løse manglerne i den eksisterende 4-20mA kommunikationsprotokol, som kun kunne overføre en parameter eller målt værdi. Med HART kunne industriel automatiseringsindsats opnå tovejskommunikation, der fik ulemperne ved 4-20mA, men også bevaret sin infrastruktur, da HART-protokollen kan sende digitale signaler ved at overlejre den på de analoge signaler uden forvrængning eller interferens.

Effekten af ​​ovenstående er oprettelsen af ​​to samtidige kommunikationskanaler: det 4-20mA analoge signal og et digitalt signal. Denne kombination er grunden til, at protokollen kaldes en hybridprotokol. Typiske applikationer som instrumenteringsenheder kan bruge 4-20mA-signalet til at sende den primære målte værdi og bruge det overlejrede digitale signal til at sende information.

Understøttelsen af ​​4-20mA-baserede enheder betød, at virksomheder kunne fortsætte med at bruge deres ældre hardware. Sammen med protokollen, der blev "åben", kørte protokollens vedtagelsesniveauer højt, indtil det blev de facto-standarden i branchen

Udarbejdelse af HART-kommunikationsprotokol

HART-kommunikation finder sted mellem to HART-aktiverede enheder, typisk en smart feltenhed og et kontrol- eller overvågningssystem. Som beskrevet tidligere transmitterer enheder baseret på protokollen analogt signal ved hjælp af den eksisterende 4-20mA-tilgang og digitale signaler ved at placere signalet (som et vekselstrømsignal) på det 4-20mA analoge signal ved hjælp af Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) standard.

FSK-proceduren involverer overlejring af sinusbølgerne af to frekvenser, typisk 1200Hz og 2200Hz, som repræsenterer bitene (henholdsvis 1 og 0) for de data, der sendes. Brug af FSK sikrer, at gennemsnitsværdien af ​​de to frekvenser altid er nul, hvilket sikrer, at det analoge signal ikke påvirkes af det digitale signal.

Netværkskonfigurationstilstande

For at imødekomme behovene i forskellige applikationer kan enheder under HART Protocol konfigureres til at fungere i to hovedtilstande;

1. Punkt-til-punkt-tilstand
2. Multi-Drop-tilstand

1. Punkt-til-punkt netværkstilstand

I punkt-til-punkt-tilstand overlejres de digitale signaler på 4–20 mA-loopstrømmen på en sådan måde, at både 4-20 mA-strømmen og det digitale signal kan bruges til at overføre meddelelser mellem master og slave. Dette repræsenterer den typiske anvendelse af protokollen med sekundære variabler og data, der kan bruges til overvågning, vedligeholdelse og diagnostiske formål, der udveksles over de digitale signaler, mens kontrolsignaler sendes over den analoge halvdel af protokollen. En illustration af punkt-til-punkt-netværkskonfigurationen findes i billedet nedenfor.

2. Multi-Drop netværkstilstand

Multi-Drop netværkskonfigurationstilstand gør det muligt at forbinde flere enheder på det samme ledningspar på en måde svarende til adressebaserede protokoller som i2c. Kommunikation i multi-drop-tilstand er helt digital, da kommunikation via den analoge loopstrøm er deaktiveret, da strømmen gennem hver af enhederne er fastgjort til en minimumsværdi, der lige er tilstrækkelig til enhedsdrift (typisk 4mA). Multi-drop netværkskonfigurationer bruges typisk i overvågningskontrolapplikationer, der er bredt fordelt som i tankbedrifter og rørledninger. Den Multi-Drop netværkskonfiguration er illustreret på billedet nedenfor.

Kommunikationstilstande

Generelt kræves der for kommunikation under HART-protokollen en enhed i netværket, normalt et distribueret styresystem eller PLC, at være udpeget som master, mens andre (r), normalt feltindretninger som sensorer eller aktuatorer, er udpeget som slaver.

Den måde, hvorpå slaverne kommunikerer med masteren, afhænger dog af den kommunikationstilstand, som netværket er konfigureret til. Et netværk af HART-protokol-kompatible enheder kan indstilles til at kommunikere i to tilstande, nemlig;

1. Kommunikationstilstand for anmodning-svar
2. Burst-tilstand

1. Kommunikationstilstand for anmodning-svar

I tilstanden Request-Response Communication sender slaveenheder kun information, når en anmodning udstedes af Master-enheden. Mens denne tilstand har sine ulemper, især reduceret kommunikationshastighed (2-3 dataopdateringer pr. Sekund), hjælper den med at holde protokollen enkel og effektiv, nem at implementere.

2. Burst-tilstand

For at gøre plads til variation i applikationskrav har protokollen en anden kommunikationstilstand kaldet "Burst" -tilstand. I denne tilstand kan slaveenhederne kontinuerligt sende et enkelt stykke information uden behov for gentagne anmodninger fra mesteren. Denne tilstand tilbyder en hurtigere kommunikationshastighed med op til 3-4 opdateringer pr. Sekund, og den bruges typisk i scenarier, hvor der kræves mere end en HART-enhed for at lytte til kommunikation fra HART Loop.

For at muliggøre ekstern overvågning, der ønskes til de fleste industrielle applikationer, understøtter begge kommunikationstilstande op til to mastere defineret som primær og sekundær. Den primære master, som illustreret i billedet ovenfor, er normalt det vigtigste kontrol- / overvågningssystem, mens den sekundære master normalt er en enhed som håndholdte terminaler aka HART Communicator, som kun er forbundet til HART-sløjfen i en kort periode.

Fordele

Nogle af fordelene ved HART-protokol frem for andre i sin klasse inkluderer;

1. Tovejskommunikation

Brug af et 4-20mA analogt signal tillader f.eks. Informationsstrømmen i kun en retning (sender til modtageren). Med HART-kommunikation kan data bevæge sig i begge retninger.

2. Nye typer information

Traditionelle kommunikationskanaler som 4-20mA tillader kun kommunikation af en enkelt procesvariabel uden plads til validering, men med HART er du i stand til at få op til 40 yderligere oplysninger sammen med procesvariablen.

Nogle eksempler på yderligere oplysninger, der kan hentes fra HART-baserede enheder, inkluderer;

1. Enhedsstatus og diagnostiske alarmer
2. Processvariabler og enheder
3. Loopstrøm &% rækkevidde
4. Grundlæggende konfigurationsparametre
5. Producent & enhedskode

Ved hjælp af en kombination af disse ekstra oplysninger kan HART-enheder selvrapportere problemer med deres konfiguration eller operationer til master / værtsenheden. Dette hjælper med at reducere behovet for rutinekontrol og kan være meget nyttigt til forudsigelig vedligeholdelse.

3. Multivariable enheder

I digital tilstand kan et enkelt par ledninger håndtere flere variabler. For eksempel kunne en sender håndtere indgange fra flere sensorer

4. Leverandøruafhængighed

Alt relateret til HART blev overdraget af Emerson til HART Communications Foundation, da standarderne er åbne og ikke specifikke for en leverandør. Dette betyder, at der ikke er nogen fare for at blive låst fast i en begrænset leverandørspecifik eller regional "standard".

5. Leveringsbredde

HART betragtes i øjeblikket som den mest understøttede protokol for procesindustrien på tværs af ordet. Det er så populært, at sandsynligheden for, at en industriel enhed er HART-kompatibel, næsten er 1.

6. Interoperabilitet

HART-kompatible enheder og værtssystemer kan arbejde sammen uanset leverandør, modeller og andre kompatibilitets- / interoperabilitetsproblemer, der plager netværk. Selv værtsenheder, der ikke er designet til at håndtere den digitale information fra en HART-enhed, vil stadig have en vis grad af interoperabilitet med kommunikation gennem det 4-20 mA analoge signal.

WirelessHART

HART-protokollen har udviklet sig gennem årene med fremskridt inden for teknologi og øget sofistikering af brugssager. Et af de seneste produkter under dens udvikling er en ny teknologi kaldet WirelessHART, der tilbyder helt nye muligheder med trådløs transmission af HART-information.

Det er den første standardiserede (IEC62591) trådløse kommunikationsprotokol inden for procesautomatisering. I modsætning til den almindelige HART-protokol understøtter den på dette trin kun kommunikation over det digitale signal, da den analoge kommunikation ikke leveres, da der ikke bruges noget forbindelseskabel.

I øjeblikket er der to forskellige WirelessHART-løsninger inklusive;

1. En WirelessHART-adapter til forbedring af eksisterende HART-enheder
2. En selvdrevet WirelessHART-sender.

WirelessHART kan bruges på eksisterende kablede instrumenter til at indsamle den enorme mængde information, der tidligere var strandet i instrumentet, og giver også en omkostningseffektiv, enkel og pålidelig måde at implementere nye måle- og kontrolpunkter uden ledningsomkostningerne.