รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ hart - โปรโตคอลการสื่อสารตัวแปลงสัญญาณระยะไกลที่ระบุแอดเดรสบนทางหลวง

ประโยชน์ของการได้รับเครื่องจักรสองเครื่อง (หรือส่วนประกอบภายในเครื่อง) เพื่อพูดคุยกันเป็นสิ่งที่เห็นได้ชัดสำหรับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและผู้เชี่ยวชาญด้านการควบคุมก่อนที่ Internet of Things (IoT) จะกลายเป็นกระแสหลัก ค่าในเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่เป็นหัวใจของเพลาข้อเหวี่ยงที่ส่งการวัดเพื่อควบคุมรีเลย์ขับมอเตอร์ ฯลฯ นั้นชัดเจนและหนึ่งในโปรโตคอลการสื่อสารที่ใช้ในการบรรลุเป้าหมายนั้นคือโปรโตคอล HART

ด้วยอุปกรณ์กว่า 30 ล้านเครื่องที่ติดตั้งอยู่ทั่วโลก HART Protocol ถือได้ว่าเป็นโปรโตคอลที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมและบทความประจำวันนี้จะให้ภาพรวมเกี่ยวกับสิ่งที่ทำให้มันพิเศษมาก เราจะตรวจสอบคุณสมบัติการใช้งานและปรับรุ่นของมันเช่นWirelessHART

ภาพรวม

Highway Addressable Remote Transducer (HART) Protocol เป็นหนึ่งในโปรโตคอลการสื่อสารแบบเปิดที่ได้รับความนิยมมากที่สุดที่ใช้ในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเพื่อส่งและรับข้อมูลดิจิทัลผ่านการเดินสายอนาล็อกระหว่างอุปกรณ์อัจฉริยะและระบบควบคุม โปรโตคอลนี้เป็นความก้าวหน้าของ Serial Communication Protocol เช่น RS485 และเหตุการณ์ที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม

Emerson ได้รับการพัฒนาโดย Emerson ในช่วงปี 1980 เป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่เป็นกรรมสิทธิ์เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องในโปรโตคอลการสื่อสาร 4-20mAที่มีอยู่ซึ่งสามารถส่งพารามิเตอร์หรือค่าที่วัดได้เพียงค่าเดียว ด้วย HART ความพยายามของระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมสามารถบรรลุการสื่อสารแบบสองทิศทางที่แก้ไขข้อบกพร่องของ 4-20mA แต่ยังคงรักษาโครงสร้างพื้นฐานไว้เนื่องจากโปรโตคอล HART สามารถส่งสัญญาณดิจิทัลโดยการซ้อนทับบนสัญญาณอนาล็อกโดยไม่มีการบิดเบือนหรือรบกวน

ผลข้างต้นคือการสร้างช่องทางการสื่อสารพร้อมกันสองช่อง: สัญญาณอะนาล็อก 4-20mA และสัญญาณดิจิตอล การรวมกันนี้เป็นสาเหตุที่เรียกโปรโตคอลนี้ว่า Hybrid Protocol การใช้งานทั่วไปเช่นอุปกรณ์เครื่องมือวัดสามารถใช้สัญญาณ 4-20mA เพื่อส่งค่าหลักที่วัดได้และใช้สัญญาณดิจิทัลที่ซ้อนทับเพื่อส่งข้อมูล

การรองรับอุปกรณ์ที่ใช้ 4-20mA หมายความว่า บริษัท ต่างๆสามารถใช้ฮาร์ดแวร์เดิมได้ต่อไป สิ่งนี้ควบคู่ไปกับโปรโตคอลที่กลายเป็น“ Open” ทำให้ระดับการยอมรับโปรโตคอลสูงจนกลายเป็นมาตรฐานโดยพฤตินัยในอุตสาหกรรม

การทำงานของโปรโตคอลการสื่อสาร HART

การสื่อสาร HART เกิดขึ้นระหว่างอุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน HART สองเครื่องโดยทั่วไปเป็นอุปกรณ์สนามอัจฉริยะและระบบควบคุมหรือตรวจสอบ ตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้อุปกรณ์ที่ใช้โปรโตคอลจะส่งสัญญาณอะนาล็อกโดยใช้แนวทาง 4-20mA ที่มีอยู่และสัญญาณดิจิทัลโดยการซ้อนทับสัญญาณ (เป็นสัญญาณกระแสสลับ) บนสัญญาณอนาล็อก 4-20mA โดยใช้ปุ่ม Shift ความถี่ Bell 202 (FSK) มาตรฐาน

ขั้นตอน FSK เกี่ยวข้องกับการซ้อนทับคลื่นไซน์ของสองความถี่โดยทั่วไปคือ 1200Hz และ 2200Hz ซึ่งแสดงถึงบิต (1 และ 0 ตามลำดับ) ของข้อมูลที่กำลังส่ง การใช้ FSK ช่วยให้มั่นใจได้ว่าค่าเฉลี่ยของความถี่ทั้งสองเป็นศูนย์เสมอเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณแอนะล็อกจะไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณดิจิทัล

โหมดการกำหนดค่าเครือข่าย

เพื่อตอบสนองความต้องการของแอพพลิเคชั่นต่างๆอุปกรณ์ภายใต้ HART Protocol สามารถกำหนดค่าให้ทำงานในสองโหมดหลัก

1. โหมดจุดต่อจุด
2. โหมด Multi-Drop

1. โหมดเครือข่ายแบบจุดต่อจุด

ในโหมดจุดต่อจุดสัญญาณดิจิทัลจะซ้อนทับบนกระแสลูป 4-20 mA ในลักษณะที่สามารถใช้ทั้งกระแส 4–20 mA และสัญญาณดิจิทัลในการถ่ายทอดข้อความระหว่างต้นแบบและทาส สิ่งนี้แสดงถึงการประยุกต์ใช้โปรโตคอลทั่วไปโดยมีตัวแปรและข้อมูลทุติยภูมิที่สามารถใช้เพื่อการตรวจสอบการบำรุงรักษาและการวินิจฉัยโดยแลกเปลี่ยนสัญญาณดิจิทัลในขณะที่สัญญาณควบคุมจะถูกส่งผ่านครึ่งอนาล็อกของโปรโตคอล ภาพประกอบของการกำหนดค่าเครือข่ายแบบจุดต่อจุดมีอยู่ในภาพด้านล่าง

2. โหมดเครือข่ายหลายหยด

โหมดการกำหนดค่าเครือข่ายแบบ Multi-Drop ช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ต่างๆบนสายคู่เดียวกันในลักษณะที่คล้ายกับโปรโตคอลตามที่อยู่เช่น i2c การสื่อสารในโหมดมัลติดร็อปเป็นแบบดิจิทัลทั้งหมดเนื่องจากการสื่อสารผ่านกระแสลูปแอนะล็อกถูกปิดใช้งานเนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์แต่ละตัวได้รับการแก้ไขที่ค่าต่ำสุดที่เพียงพอสำหรับการทำงานของอุปกรณ์ (โดยทั่วไปคือ 4mA) โดยทั่วไปแล้วการกำหนดค่าเครือข่ายแบบหลายจุดจะใช้ในแอปพลิเคชันการควบคุมดูแลที่มีระยะห่างกันมากเช่นในฟาร์มถังและท่อ การกำหนดค่าเครือข่าย Multi-Dropแสดงอยู่ในภาพด้านล่าง

โหมดการสื่อสาร

โดยทั่วไปสำหรับการสื่อสารภายใต้โปรโตคอล HART อุปกรณ์หนึ่งในเครือข่ายโดยปกติจะเป็นระบบควบคุมแบบกระจายหรือ PLC จะต้องได้รับการกำหนดให้เป็น Master ในขณะที่อุปกรณ์อื่น ๆ ซึ่งโดยปกติแล้วอุปกรณ์ภาคสนามเช่นเซ็นเซอร์หรือแอคชูเอเตอร์จะถูกกำหนดให้เป็นทาส

อย่างไรก็ตามลักษณะที่ทาสสื่อสารกับต้นแบบนั้นขึ้นอยู่กับโหมดการสื่อสารที่กำหนดค่าเครือข่ายไว้ สามารถตั้งค่าเครือข่ายของอุปกรณ์ที่รองรับโปรโตคอล HART เพื่อสื่อสารในสองโหมด ได้แก่;

1. โหมดการสื่อสารตามคำขอ
2. โหมดถ่ายต่อเนื่อง

1. โหมดการสื่อสารตามคำขอ

ในโหมดการสื่อสารการตอบสนองการร้องขออุปกรณ์สเลฟจะส่งข้อมูลเมื่อมีการร้องขอโดยอุปกรณ์หลักเท่านั้น แม้ว่าโหมดนี้จะมีข้อเสียที่ความเร็วในการสื่อสารลดลงโดยเฉพาะ (การอัปเดตข้อมูล 2-3 ครั้งต่อวินาที) แต่ก็ช่วยให้โปรโตคอลเรียบง่ายและมีประสิทธิภาพใช้งานง่าย

2. โหมดถ่ายต่อเนื่อง

เพื่อให้มีที่ว่างสำหรับการเปลี่ยนแปลงในข้อกำหนดของแอปพลิเคชันโปรโตคอลจึงมีโหมดการสื่อสารอื่นที่เรียกว่าโหมด "ถ่ายต่อเนื่อง" ในโหมดนี้อุปกรณ์สเลฟสามารถส่งข้อมูลชิ้นเดียวได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่จำเป็นต้องร้องขอซ้ำจากมาสเตอร์ โหมดนี้ให้ความเร็วในการสื่อสารที่เร็วขึ้นโดยมีการอัปเดตสูงสุด 3-4 ครั้งต่อวินาทีและโดยทั่วไปจะใช้ในสถานการณ์ที่ต้องใช้อุปกรณ์ HART มากกว่าหนึ่งเครื่องเพื่อฟังการสื่อสารจาก HART Loop

เพื่อให้สามารถตรวจสอบภายนอกได้ซึ่งเป็นที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมส่วนใหญ่โหมดการสื่อสารทั้งสองจะรองรับจ้าวสูงสุดสองตัวที่กำหนดเป็นหลักและรอง หลักหลักตามที่แสดงในภาพด้านบนมักเป็นระบบควบคุม / ตรวจสอบหลักในขณะที่ต้นแบบรองมักเป็นอุปกรณ์เช่นขั้วต่อแบบพกพาหรือที่เรียกว่าHART Communicatorซึ่งเชื่อมต่อกับลูป HART ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น

สิทธิประโยชน์

ข้อดีบางประการของโปรโตคอล HART ที่เหนือกว่าผู้อื่นในระดับเดียวกัน ได้แก่

1. การสื่อสารสองทาง

ตัวอย่างเช่นการใช้สัญญาณอนาล็อก 4-20mA ช่วยให้การไหลของข้อมูลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น (เครื่องส่งไปยังเครื่องรับ) ด้วยการสื่อสาร HART ข้อมูลสามารถเดินทางได้ทั้งสองทิศทาง

2. ข้อมูลประเภทใหม่

ช่องทางการสื่อสารแบบเดิมเช่น 4-20mA ช่วยให้สามารถสื่อสารกับตัวแปรกระบวนการเดียวโดยไม่มีพื้นที่สำหรับการตรวจสอบความถูกต้อง แต่ด้วย HART คุณสามารถรับข้อมูลเพิ่มเติมได้ถึง 40 ข้อมูลพร้อมกับตัวแปรกระบวนการ

ตัวอย่างข้อมูลเพิ่มเติมบางส่วนที่สามารถรวบรวมได้จากอุปกรณ์ที่ใช้ HART ได้แก่

1. สถานะอุปกรณ์และการแจ้งเตือนการวินิจฉัย
2. ตัวแปรกระบวนการและหน่วย
3. ลูปปัจจุบัน & ช่วง%
4. พารามิเตอร์การกำหนดค่าพื้นฐาน
5. ผู้ผลิตและแท็กอุปกรณ์

การใช้ข้อมูลเพิ่มเติมนี้ร่วมกันอุปกรณ์ HART สามารถรายงานปัญหาเกี่ยวกับการกำหนดค่าหรือการทำงานของตนไปยังอุปกรณ์หลัก / โฮสต์ได้ด้วยตนเอง ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการตรวจสุขภาพตามปกติและอาจมีประโยชน์มากสำหรับการบำรุงรักษาแบบคาดการณ์ล่วงหน้า

3. อุปกรณ์หลายตัวแปร

ในโหมดดิจิตอลสายไฟคู่เดียวสามารถจัดการกับตัวแปรหลายตัวได้ ตัวอย่างเช่นเครื่องส่งสัญญาณเครื่องหนึ่งสามารถรองรับอินพุตจากเซ็นเซอร์หลายตัวได้

4. ความเป็นอิสระของผู้ขาย

ทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับ HART ถูกส่งมอบโดย Emerson ให้กับ HART Communications Foundation เนื่องจากมาตรฐานดังกล่าวเปิดกว้างและไม่เฉพาะเจาะจงสำหรับผู้ขายรายเดียว ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีอันตรายจากการถูกล็อกเข้าสู่ "มาตรฐาน" เฉพาะผู้จำหน่ายหรือภูมิภาค

5. ความกว้างของอุปทาน

ปัจจุบัน HART ถือได้ว่าเป็นโปรโตคอลที่ได้รับการสนับสนุนอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมกระบวนการทั่วทั้งคำ เป็นที่นิยมมากจนความน่าจะเป็นของอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่เข้ากันได้กับ HART นั้นเกือบ 1

6. ความสามารถในการทำงานร่วมกัน

อุปกรณ์และระบบโฮสต์ที่รองรับ HART สามารถทำงานร่วมกันได้โดยไม่คำนึงถึงผู้ขายรุ่นและปัญหาความเข้ากันได้ / การทำงานร่วมกันอื่น ๆ ที่ทำให้เครือข่ายเสียหาย แม้แต่อุปกรณ์โฮสต์ที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อจัดการข้อมูลดิจิทัลจากอุปกรณ์ HART ก็ยังมีระดับความสามารถในการทำงานร่วมกันกับการสื่อสารผ่านสัญญาณอนาล็อก 4-20 mA

ไร้สาย

โปรโตคอล HART มีการพัฒนาในช่วงหลายปีที่ผ่านมาด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและความซับซ้อนของกรณีการใช้งานที่เพิ่มขึ้น หนึ่งในผลิตภัณฑ์ล่าสุดของการพัฒนาคือเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่าWirelessHARTซึ่งนำเสนอความเป็นไปได้ใหม่ ๆ ด้วยการส่งข้อมูล HART แบบไร้สาย

เป็นโปรโตคอลการสื่อสารไร้สายมาตรฐานแรก (IEC62591) ในด้านกระบวนการอัตโนมัติ ซึ่งแตกต่างจากโพรโทคอล HART ปกติในขั้นตอนนี้สนับสนุนเฉพาะการสื่อสารผ่านสัญญาณดิจิทัลเนื่องจากไม่มีการสื่อสารแบบอะนาล็อกเนื่องจากไม่มีการใช้สายเชื่อมต่อ

ปัจจุบันมีโซลูชั่น WirelessHART สองแบบที่แตกต่างกัน ได้แก่

1. อะแดปเตอร์ WirelessHART สำหรับปรับปรุงอุปกรณ์ HART ที่มีอยู่
2. เครื่องส่ง WirelessHART ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง

WirelessHART สามารถใช้กับเครื่องมือแบบมีสายที่มีอยู่เพื่อรวบรวมข้อมูลจำนวนมากที่เคยติดอยู่ในเครื่องมือนี้และยังมอบวิธีที่ประหยัดต้นทุนง่ายและเชื่อถือได้ในการปรับใช้จุดการวัดและการควบคุมใหม่โดยไม่ต้องเสียค่าเดินสาย