پروتکل HART چیست؟

اکثر دستگاه‌های میدان هوشمند منصوب در سرتاسر جهان امروزه دارای پروتکل HART فعال هستند. اما برخی جدید در زمینه اتوماسیون ممکن است نیاز به تجدید نظر در این فناوری قدرتمند داشته باشند.

به بیان ساده، پروتکل HART (مبدل از راه دور آدرس‌پذیر بزرگراه) استاندارد جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات دیجیتال از طریق سیم‌های آنالوگ بین دستگاه‌های هوشمند و سیستم کنترل یا نظارت یا ارتباطات دستی است.

به طور خاص، HART یک پروتکل ارتباطی دو جهته است که دسترسی داده‌ها را بین ابزارهای میدان هوشمند و سیستم های میزبان (DCS/PLC یا Handheld Communicator) فراهم می‌کند. میزبان می‌تواند هر برنامه نرم‌افزاری از دستگاه یا لپ‌تاپ دستی تکنسین گرفته تا کنترل فرآیند، مدیریت دارایی، ایمنی یا سایر سیستم‌های کارخانه با استفاده از هر پلتفرم کنترلی باشد.

تکنولوژی پروتکل HART

استفاده از فناوری HART برای راه اندازی و کالیبراسیون دستگاه‌های هوشمند و همچنین برای عیب یابی مداوم آنلاین بسیار آسان و بسیار قابل اعتماد است.

دلایل متعددی برای برقراری ارتباط میزبان با دستگاه‌های هوشمند وجود دارد. این موارد عبارتند از:

• پیکربندی یا پیکربندی مجدد دستگاه
• تشخیص دستگاه
• عیب یابی دستگاه
• خواندن مقادیر اندازه‌گیری اضافی ارائه‌شده توسط دستگاه
• سلامت و وضعیت دستگاه
• خیلی بیشتر

سالها موفقیت با استفاده از این مزایا توضیح می‌دهد که چرا فناوری HART بزرگترین پروتکل ارتباطی است که در بیش از ۳۰ میلیون دستگاه در سراسر جهان نصب می‌شوند.

اگر تا به حال از تلفن ثابت استفاده کرده اید و متوجه نمایشگر شماره تماس گیرنده شده‌اید که چه کسی در حال تماس است، نیمی از کارهایی که پروتکل HART انجام می‌دهد را می‌دانید. می‌گوید "چه کسی" تماس می‌گیرد.

در یک شبکه اتوماسیون صنعتی "who" یک دستگاه میدان هوشمند مبتنی بر ریزپردازنده است. HART Communication علاوه بر اجازه دادن به چنین دستگاه‌های میدان هوشمند «تلفن خانه» به سیستم میزبان اجازه می‌دهد داده‌ها را به ابزار هوشمند ارسال کند.

HART در اواخر دهه ۱۹۸۰ بر اساس همان فناوری ظهور کرد که شناسه تماس گیرنده را به تلفن آنالوگ آورد. این مورد توسعه مستمری را پشت سر گذاشتند، تا محصولات اتوماسیونی که اکنون با Wirelessارتباط داخلی HART ارسال می‌شوند.

پروتکل HART چگونه کار می‌کند

«HART» مخفف عبارت Highway Addressable Remote Transducer است. پروتکل HART از استاندارد Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) برای قرار دادن سیگنال های ارتباطی دیجیتال در سطح پایین در بالای ۴-۲۰mA استفاده می‌کند.

کلیدینگ تغییر فرکانس پروتکل HART

پروتکل ارتباطی HART بر اساس استاندارد ارتباط تلفنی Bell 202 است و با استفاده از اصل کلیدسازی تغییر فرکانس (FSK) عمل می‌کند. سیگنال دیجیتال متشکل از دو فرکانس است - ۱۲۰۰ هرتز و ۲۲۰۰ هرتز که به ترتیب بیت های ۱ و ۰ را نشان می‌دهند.

امواج سینوسی این دو فرکانس بر روی کابل‌های سیگنال آنالوگ جریان مستقیم (dc) قرار می‌گیرند تا ارتباطات آنالوگ و دیجیتال همزمان را فراهم کنند. از آنجایی که مقدار متوسط ​​سیگنال FSK همیشه صفر است، سیگنال آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.

سیگنال ارتباط دیجیتال دارای زمان پاسخگویی تقریباً ۲-۳ به روز رسانی داده در ثانیه بدون قطع سیگنال آنالوگ است. حداقل امپدانس حلقه ۲۳۰ وات برای ارتباط مورد نیاز است.

این امکان برقراری ارتباط میدانی دو طرفه را فراهم می‌کند و امکان انتقال اطلاعات اضافی فراتر از متغیر فرآیند عادی را به/از یک ابزار میدان هوشمند فراهم می‌کند.

پروتکل HART با سرعت ۱۲۰۰ bps بدون قطع کردن سیگنال ۴-۲۰mA ارتباط برقرار می‌کند و به یک برنامه میزبان (مستر) اجازه می‌دهد تا دو یا چند به روز رسانی دیجیتال در ثانیه را از یک دستگاه میدان هوشمند دریافت کند. از آنجایی که سیگنال دیجیتال FSK پیوسته فاز است، هیچ تداخلی با سیگنال ۴-۲۰ میلی آمپر وجود ندارد.

فناوری HART یک پروتکل master/slave است، به این معنی که یک دستگاه فیلد هوشمند (slave) تنها زمانی صحبت می‌کند که توسط یک استاد صحبت شود. پروتکل HART را می‌توان در حالت های مختلفی مانند نقطه به نقطه یا چند قطره برای انتقال اطلاعات به/از ابزارهای میدان هوشمند و سیستم های کنترل یا نظارت مرکزی استفاده کرد.

ارتباط HART بین دو دستگاه دارای HART، معمولاً یک دستگاه میدان هوشمند و یک سیستم کنترل یا نظارت اتفاق می‌افتد. ارتباط با استفاده از سیم درجه ابزار دقیق و با استفاده از سیم‌کشی استاندارد و روش‌های خاتمه انجام می‌شود.

پروتکل HART دو کانال ارتباطی همزمان را فراهم می‌کند: سیگنال آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر و سیگنال دیجیتال. سیگنال ۴-۲۰mA با استفاده از حلقه جریان ۴-۲۰mA - سریعترین و قابل اطمینان ترین استاندارد صنعتی - مقدار اندازه گیری شده اولیه (در مورد ابزار میدانی) را منتقل می‌کند. اطلاعات اضافی دستگاه با استفاده از یک سیگنال دیجیتالی که روی سیگنال آنالوگ قرار می‌گیرد، مخابره می‌شود.

سیگنال دیجیتال حاوی اطلاعاتی از دستگاه از جمله وضعیت دستگاه، عیب‌یابی، مقادیر اضافی اندازه‌گیری یا محاسبه‌شده و غیره است. این دو کانال ارتباطی با هم یک راه‌حل ارتباط میدانی کامل کم‌هزینه و بسیار قوی ارائه می‌کنند که استفاده و پیکربندی آسان است.

شبکه‌های پروتکل HART

دستگاه‌های HART می‌توانند در یکی از دو پیکربندی شبکه کار کنند—point-topoint یا multidrop.

POINT-TO-POINT

در حالت نقطه به نقطه، سیگنال سنتی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر برای ارتباط یک متغیر فرآیند استفاده می‌شود، در حالی که متغیرهای فرآیند اضافی، پارامترهای پیکربندی و سایر داده‌های دستگاه منتقل می‌شوند. به صورت دیجیتالی با استفاده از پروتکل HART (شکل ۲).

سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر تحت تأثیر سیگنال HART قرار نمی‌گیرد و می‌توان از آن برای کنترل در حالت عادی استفاده کرد. سیگنال دیجیتال ارتباطی HART به متغیرهای ثانویه و سایر داده‌ها دسترسی می‌دهد که می‌توانند برای عملیات، راه‌اندازی، تعمیر و نگهداری و اهداف تشخیصی استفاده شوند.

پروتکل HART حداکثر دو استاد اصلی (اولیه و ثانویه) را فراهم می‌کند. این اجازه می‌دهد تا از Master های ثانویه مانند ارتباط دهنده‌های دستی بدون تداخل در ارتباطات به/از اصلی اصلی، یعنی سیستم کنترل/نظارت استفاده شود.

پروتکل HART به تمامی ارتباطات دیجیتالی با دستگاه های میدانی در پیکربندی های شبکه نقطه به نقطه یا چند قطره اجازه می‌دهد:

پیکربندی چند قطره

همچنین یک حالت ارتباطی اختیاری "burst" وجود دارد که در آن یک دستگاه برده می‌تواند به طور مداوم یک پیام پاسخ استاندارد HART را پخش کند. نرخ‌های به‌روزرسانی بالاتر با این حالت ارتباط رگبار اختیاری امکان‌پذیر است و استفاده معمولاً به پیکربندی نقطه به نقطه محدود می‌شود.

حالت عملکرد چند قطره تنها به یک جفت سیم و در صورت وجود موانع ایمنی و منبع تغذیه کمکی برای حداکثر ۱۵ دستگاه میدانی نیاز دارد. تمام مقادیر فرآیند به صورت دیجیتالی منتقل می‌شود. در حالت چند قطره، همه آدرس‌های نظرسنجی دستگاه میدانی >0 هستند و جریان عبوری از هر دستگاه به حداقل مقدار (معمولاً ۴ میلی آمپر) ثابت می‌شود.

حالت‌های ارتباطی پروتکل HART

1- Master Slave Mode

HART یک پروتکل ارتباطی master-slave است، به این معنی که در طول عملیات عادی، هر ارتباط برده (دستگاه میدانی) توسط یک دستگاه ارتباطی اصلی آغاز می‌شود. دو استاد می‌توانند به هر حلقه HART متصل شوند. به طور کلی یک سیستم کنترل توزیعی (DCS)، کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یا یک کامپیوتر شخصی (PC) است.

اصل ثانویه می‌تواند یک ترمینال دستی یا رایانه شخصی دیگر باشد. دستگاه‌های Slave شامل فرستنده‌ها، محرک‌ها و کنترل‌کننده‌هایی هستند که به دستورات اصلی یا ثانویه اصلی پاسخ می‌دهند.

2- حالت پشت سر هم

برخی از دستگاه های HART از حالت اختیاری ارتباط انفجاری پشتیبانی می‌کنند. حالت پشت سر هم ارتباط سریع تری را امکان پذیر می‌کند (۳ تا ۴ به روز رسانی داده در ثانیه). در حالت انفجاری، Master به دستگاه Slave دستور می‌دهد تا به طور مداوم یک پیام پاسخ استاندارد HART (مثلاً مقدار متغیر فرآیند) را پخش کند. Master پیام را با سرعت بالاتری دریافت می‌کند تا زمانی که به Slave دستور دهد ترکیدن را متوقف کند.

DEVICE DESCRIPTION

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

HART Device Description Language (DDL) برای نوشتن DD استفاده می‌شود، که تمام اطلاعات مورد نیاز برنامه میزبان را در یک فایل ساختار یافته ترکیب می‌کند.

این مشخص می‌کند که کدام دستورات عملی رایج پشتیبانی می‌شوند و همچنین قالب و ساختار همه دستورات خاص دستگاه را مشخص می‌کند.

DD برای یک دستگاه فیلد HART تقریباً معادل یک درایور چاپگر برای رایانه است. DD ها نیاز به تامین کنندگان میزبان برای توسعه و پشتیبانی از رابط ها و درایورهای سفارشی را از بین می‌برند.

یک DD تصویری از تمام پارامترها و عملکردهای یک دستگاه در یک زبان استاندارد ارائه می‌دهد. تامین کنندگان HART این گزینه را دارند که یک DD برای محصول میدان HART خود تهیه کنند. اگر آنها انتخاب کنند که یکی را ارائه کنند، DD اطلاعاتی را برای یک برنامه میزبان فعال DD برای خواندن و نوشتن داده‌ها مطابق با رویه‌های هر دستگاه ارائه می‌دهد.

فایل های منبع DD برای دستگاه‌های HART شبیه فایل های نوشته شده در زبان برنامه نویسی C هستند. فایل های DD برای ثبت در کتابخانه HCF DD به HCF ارسال می‌شود. بررسی‌های کیفیت روی هر DD ارسال‌شده برای اطمینان از انطباق با مشخصات، تأیید عدم وجود تداخل با DD‌هایی که قبلاً ثبت شده‌اند، و برای تأیید عملکرد با میزبان‌های استاندارد HART انجام می‌شود.

کتابخانه HCF DD مکان مرکزی برای مدیریت و توزیع همه HART DD ها برای تسهیل استفاده در برنامه های میزبان مانند رایانه های شخصی و پایانه های دستی است.

مزایای استفاده از پروتکل HART

مهندسانی که در محیط های اتوماسیون آنالوگ کار می‌کنند، دیگر نیازی به بیان کلمات "اگر فقط" ندارند، مانند "اگر فقط می‌توانستم اطلاعات دستگاه را بدون وارد شدن به میدان دریافت کنم" یا "اگر فقط" من می‌توانم اطلاعات پیکربندی این را از آن فرستنده فشار به رایانه شخصی خود دریافت کنم."

کاربرانی که در سرتاسر جهان به مزایای ارتباط HART پی برده‌اند، می‌دانند که با استفاده از تست دستی، دستگاه های کالیبراسیون و رایانه های قابل حمل، می‌توانند دید سریع و آسانی را برای دستگاه های موجود در این زمینه به دست آورند. در واقع، آزمایش، تشخیص و پیکربندی دستگاه هرگز آسان‌تر نبوده است!

با این حال، بسیاری هنوز به بزرگترین مزایای فناوری HART که از ارتباطات تمام وقت با مدیریت و/یا سیستم های کنترل بلادرنگ دارایی ناشی می‌شود، پی نبرده اند.

فناوری HART می‌تواند به شما کمک کند:

• از قابلیت‌های مجموعه کاملی از داده‌های دستگاه هوشمند برای بهبودهای عملیاتی استفاده کنید.
• اخطارهای اولیه را در مورد تغییرات عملکرد دستگاه، محصول یا فرآیند دریافت کنید.
• زمان عیب‌یابی بین شناسایی و حل مشکلات را تسریع کنید.
• به طور مداوم یکپارچگی حلقه‌ها و استراتژی‌های سیستم کنترل/اتوماسیون را تأیید کنید.
• بازده دارایی و در دسترس بودن سیستم را افزایش دهید.

افزایش در دسترس بودن گیاه

• دستگاه‌ها و سیستم‌ها را برای تشخیص مشکلات غیرقابل شناسایی قبلی یکپارچه کنید.
• تشخیص دستگاه و/یا پردازش مشکلات اتصال در زمان واقعی.
• تاثیر انحرافات را با به دست آوردن هشدارهای جدید و اولیه به حداقل برسانید.
• از هزینه‌های بالای خاموشی های برنامه ریزی نشده یا اختلالات فرآیند جلوگیری کنید.

کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری

• به سرعت حلقه کنترل و پیکربندی دستگاه را تأیید و تأیید کنید.
• از عیب یابی از راه دور برای کاهش بررسی های میدانی غیر ضروری استفاده کنید.
• داده‌های روند عملکرد را برای عیب‌یابی تعمیر و نگهداری پیش‌بینی کنید.
• کاهش موجودی لوازم یدکی و هزینه‌های مدیریت دستگاه.

بهبود انطباق با مقررات

• نگهداری خودکار سوابق اطلاعات مطابقت را فعال کنید.
• تست خاموشی خودکار ایمنی را تسهیل می‌کند.
• سطح یکپارچگی SIL/ایمنی را با تشخیص پیشرفته بالا ببرید.
• از دستگاه‌های چند متغیره هوشمند برای گزارش دقیق تر و دقیق تر استفاده کنید.

ویژگی‌های استاندارد فناوری HART از سازگاری ساده با شبکه‌های آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر موجود تا انتخاب محصولات گسترده را شامل می‌شود:

• سازگاری با سیم کشی استاندارد ۴-۲۰mA
• انتقال همزمان اطلاعات دیجیتال
• سادگی از طریق رابط های منو محور بصری
• کاهش ریسک از طریق یک پروتکل بسیار دقیق و قوی
• اجرای آسان برای حداکثر اثربخشی هزینه "از قبل"
• انتخاب محصولات گسترده، با دستگاه‌ها و برنامه‌های نرم افزاری سازگار از اکثر ارائه دهندگان اتوماسیون فرآیند
• استقلال پلت فرم 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 زمان تاکنون چندین بار بروز رسانی شده‌است. هنگامی که پروتکل به روز می‌شود، به گونه ای به روز می‌شود که سازگاری با نسخه‌های قبلی را تضمین می‌کند. نسخه فعلی پروتکل HART نسخه ۷٫۳ است. «۷» نشان‌دهنده سطح بازبینی اصلی و «۳» نشان‌دهنده سطح تجدیدنظر جزئی است.

پروتکل HART لایه‌های ۱،۲، ۳، ۴ و ۷ از مدل پروتکل ۷ لایه اتصال سیستم باز (OSI) را پیاده سازی می‌کند:

HART Physical Layer بر اساس استاندارد Bell 202 است که از کلیدهای تغییر فرکانس (FSK) برای برقراری ارتباط با سرعت ۱۲۰۰ bps استفاده می‌کند. فرکانس های سیگنالی که مقادیر بیت ۰ و ۱ را نشان می‌دهند به ترتیب ۲۲۰۰ و ۱۲۰۰ هرتز هستند. این سیگنال در سطح پایینی روی سیگنال اندازه‌گیری آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر قرار می‌گیرد، بدون اینکه تداخلی با سیگنال آنالوگ ایجاد کند.

HART Data Link Layer یک پروتکل master-slave را تعریف می‌کند - در استفاده معمولی، یک دستگاه فیلد فقط زمانی پاسخ می‌دهد که با آن صحبت شود. می‌تواند دو Master وجود داشته باشد، به عنوان مثال، یک سیستم کنترل به عنوان اصلی و یک ارتباط دستی HART به عنوان یک استاد ثانویه.

قوانین زمان بندی تعیین می‌کنند که هر استاد چه زمانی می‌تواند یک تراکنش ارتباطی را آغاز کند. حداکثر ۱۵ یا بیشتر دستگاه slave را می‌توان به یک جفت کابل چند قطره متصل کرد.

لایه شبکه خدمات مسیریابی، امنیت سرتاسر و حمل و نقل را ارائه می‌دهد. «جلسات» را برای ارتباط سرتاسری با دستگاه‌های خبرنگار مدیریت می‌کند.

بخش انتقال: لایه Data-Link تضمین می‌کند که ارتباطات با موفقیت از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتشر می‌شود. لایه حمل و نقل را می‌توان برای اطمینان از موفقیت آمیز بودن ارتباط انتهایی استفاده کرد.

Application Layer دستورات، پاسخ ها، انواع اطلاعات و گزارش وضعیت پشتیبانی توسط پروتکل را تعریف می‌کند. در لایه Application، دستورات عمومی پروتکل به چهار گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

1. فرمان های جهانی - توابعی را ارائه می‌دهد که باید در همه دستگاه‌های فیلد پیاده سازی شوند.
2. فرمان های تمرین رایج - عملکردهای مشترک بسیاری را ارائه می‌دهد، اما نه همه دستگاه‌های میدانی
3. فرمان‌های خاص دستگاه - عملکردهایی را ارائه می‌کند که منحصر به یک دستگاه میدانی خاص هستند و توسط سازنده دستگاه مشخص شده‌اند.
4. فرمان‌های خانواده دستگاه - مجموعه‌ای از عملکردهای استاندارد برای ابزارهایی با انواع اندازه‌گیری خاص ارائه می‌کند که امکان دسترسی عمومی کامل را بدون استفاده از دستورات خاص دستگاه فراهم می‌کند.

برنامه پیشرفته پروتکل HART

قدرت پروتکل HART در نمودار کنترل شکل زیر مشهود است. این برنامه نوآورانه از ویژگی ذاتی پروتکل HART استفاده می‌کند که سیگنال های ارتباطی آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر و دیجیتال به طور همزمان از طریق یک سیم کشی منتقل می‌شوند.

در این برنامه، فرستنده سازگار با HART دارای قابلیت کنترل PID داخلی است.

دستگاه به گونه ای پیکربندی می‌شود که جریان حلقه ۴-۲۰ میلی آمپر متناسب با خروجی کنترل الگوریتم PID در حال اجرا در دستگاه باشد (نه متغیر اندازه گیری مانند اکثر برنامه‌های فرستنده).

از آنجایی که جریان حلقه ۴-۲۰ میلی آمپر توسط خروجی کنترل PID تنظیم می‌شود، برای هدایت مستقیم موقعیت سوپاپ استفاده می‌شود.

حلقه کنترل کاملاً در میدان بین فرستنده (با PID) و شیر کنترل اجرا می‌شود.

عمل کنترل مداوم است زیرا سیگنال سنتی آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر شیر را به حرکت در می‌آورد. ارتباط دیجیتال HART اپراتور را با حلقه کنترل پیوند می‌دهد تا نقطه تنظیم را تغییر دهد و متغیر اصلی یا خروجی موقعیت سوپاپ را بخواند. صرفه جویی قابل توجهی در برنامه‌هایی که این معماری کنترلی نوآورانه مناسب است امکان پذیر است.

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.