Въведение в протокол за комуникация на отдалечен преобразувател на харт - магистрала

Ползите от това да накарат две машини (или компоненти в тях) да говорят помежду си са очевидни за експертите по индустриална автоматизация и контрол, още преди Интернет на нещата (IoT) да стане основен. Стойностите в температурния сензор в основата на коляновия вал, изпращащи измервания за управление на релето на моторното задвижване и т.н., бяха ясни и един от комуникационните протоколи, използвани за постигането на това, беше протоколът HART.

С над 30 милиона устройства, базирани на него, инсталирани по целия свят, протоколът HART се счита за най- популярния протокол в индустриалната автоматизация и днешната статия ще предостави преглед на това, което го прави толкова специален. Ще разгледаме неговите функции, приложения и надстроени версии като WirelessHART.

Общ преглед

Магистралният адресируем дистанционен преобразувател (HART) е един от най-популярните протоколи за отворена комуникация, използвани в индустриалната автоматизация за изпращане и получаване на цифрова информация чрез аналогово свързване между интелигентни устройства и системи за управление. Този протокол е подобрение на протокола за серийна комуникация като RS485 и събитие, което също се използва широко в индустрията.

Той е разработен от Emerson през 80-те години като собствен протокол за комуникация за отстраняване на дефектите в съществуващия 4-20mA комуникационен протокол, който може да предава само един параметър или измерена стойност. С HART усилията за индустриална автоматизация биха могли да постигнат двупосочни комуникации, които отстраняват недостатъците на 4-20mA, но също така да запазят своята инфраструктура, тъй като протоколът HART може да изпраща цифрови сигнали, като го наслагва върху аналоговите сигнали без изкривяване или смущения.

Ефектът от горното е създаването на два едновременни комуникационни канала: аналогов сигнал 4-20mA и цифров сигнал. Тази комбинация е причината протоколът да се нарича хибриден протокол. Типични приложения като инструментални устройства могат да използват сигнала 4-20mA за изпращане на първичната измерена стойност и да използват наслагвания цифров сигнал за изпращане на информация.

Поддръжката на устройства, базирани на 4-20mA, означава, че компаниите могат да продължат да използват наследения си хардуер. Това, заедно с превръщането на протокола в „Отворен“, повиши нивата на приемане на протокола, докато той се превърна в фактическия стандарт в индустрията

Работа на HART комуникационен протокол

HART комуникацията се осъществява между две устройства с активиран HART, обикновено интелигентно полево устройство и система за контрол или наблюдение. Както е описано по-рано, устройствата, базирани на протокола, предават аналогов сигнал, използвайки съществуващия 4-20mA подход, и цифрови сигнали чрез наслагване на сигнала (като сигнал с променлив ток) върху 4-20mA аналогов сигнал, използвайки Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) стандарт.

Процедурата FSK включва наслагване на синусоидите на две честоти, обикновено 1200Hz и 2200Hz, които представляват битовете (съответно 1 и 0) на изпращаните данни. Използването на FSK гарантира, че средната стойност на двете честоти винаги е нула, като гарантира, че аналоговият сигнал не се влияе от цифровия сигнал.

Режими на мрежова конфигурация

За да отговорят на нуждите на различни приложения, устройствата под протокола HART могат да бъдат конфигурирани да работят в два основни режима;

Режим от точка до точка
Multi-Drop Mode

1. Режим на мрежа от точка до точка

В режим от точка до точка цифровите сигнали се наслагват върху тока на контура 4–20 mA по такъв начин, че както токът 4–20 mA, така и цифровият сигнал могат да се използват при предаване на съобщения между главен и подчинен. Това представлява типичното приложение на протокола с вторични променливи и данни, които могат да се използват за наблюдение, поддръжка и диагностични цели, като се обменят по цифровите сигнали, докато контролните сигнали се изпращат през аналоговата половина на протокола. Илюстрация на конфигурацията на мрежата Point-to-Point е предоставена на изображението по-долу.

2. Мрежов режим с няколко капки

Режимът за конфигуриране на мрежата Multi-Drop позволява няколко устройства да бъдат свързани към една и съща двойка проводници по начин, подобен на адресно базирани протоколи като i2c. Комуникацията в режим на няколко капки е изцяло цифрова, тъй като комуникацията чрез аналоговия контур на тока е деактивирана, тъй като токът през всяко от устройствата е фиксиран на минимална стойност, достатъчна за работата на устройството (обикновено 4 mA). Конфигурациите на мрежата с няколко капки обикновено се използват в приложения за надзорен контрол, които са широко разположени като в резервоарните ферми и тръбопроводи. В конфигурацията Multi-Drop мрежа е показано на картинката по-долу.

Режими на комуникация

Като цяло, за комуникации по протокола HART, едно устройство в мрежата, обикновено разпределена система за управление или PLC, трябва да бъде определено като главен, докато други (и), обикновено полеви устройства като сензори или изпълнителни механизми, са определени като подчинени.

Обаче начинът, по който подчинените комуникират с главния, зависи от комуникационния режим, към който е конфигурирана мрежата. Мрежа от устройства, съвместими с протокола HART, може да бъде настроена да комуникира в два режима, а именно;

Режим на комуникация заявка-отговор
Режим на серия

1. Режим на комуникация заявка-отговор

В режима за комуникация Request-Response, подчинените устройства предават информация само когато е издадена заявка от главното устройство. Въпреки че този режим има своите недостатъци, особено намалената скорост на комуникация (2-3 актуализации на данни в секунда), той помага протоколът да бъде прост и ефективен, лесен за изпълнение.

2. Режим Burst

За да се освободи място за вариации в изискванията на приложението, протоколът има друг комуникационен режим, наречен режим „Burst“. В този режим подчинените устройства могат да изпращат единична информация непрекъснато, без необходимост от повтарящи се заявки от главния. Този режим предлага по-бърза скорост на комуникация с до 3-4 актуализации в секунда и обикновено се използва в сценарии, при които се изисква повече от едно HART устройство за прослушване на комуникация от HART Loop.

За да се даде възможност за външно наблюдение, желано за повечето промишлени приложения, и двата комуникационни режима поддържа до два главни устройства, определени като първичен и вторичен. Първичното главно устройство, както е илюстрирано на изображението по-горе, обикновено е основната система за управление / наблюдение, докато вторичното главно устройство обикновено е устройство като ръчни терминали, известни още като HART Communicator, което е свързано само с контура HART за кратък период.

Ползи

Някои от предимствата на протокола HART пред други от неговия клас включват;

1. Двупосочна комуникация

Използването на аналогов сигнал 4-20mA например позволява поток от информация само в една посока (предавател към приемника). С HART комуникацията данните могат да се движат в двете посоки.

2. Нови видове информация

Традиционните комуникационни канали като 4-20mA позволяват комуникацията само на една променлива на процеса, без място за валидиране, но с HART можете да получите до 40 допълнителна информация заедно с променливата на процеса.

Някои примери за допълнителна информация, която може да бъде получена от устройства, базирани на HART, включват;

Състояние и диагностични сигнали на устройството
Обработвайте променливи и единици
Loop Current &% Обхват
Основни параметри на конфигурацията
Етикет на производител и устройство

Използвайки комбинация от тази допълнителна информация, устройствата HART могат самостоятелно да докладват за проблеми с тяхната конфигурация или операции на главното / хост устройството. Това помага да се намали нуждата от рутинни прегледи и би могло да бъде много полезно за прогнозна поддръжка.

3. Мултипроменливи устройства

В цифров режим една двойка проводници може да обработва множество променливи. Например, един предавател може да обработва входове от множество сензори

4. Независимост на продавача

Всичко, свързано с HART, беше предадено от Emerson на HART Communications Foundation, тъй като тези стандарти са отворени и не са специфични за един доставчик. Това означава, че няма опасност да се заключите в ограничени специфични за производителя или регионални „стандарти“.

5. Широчина на предлагане

Понастоящем HART се счита за най-широко поддържания протокол за процесното производство в цялата дума. Толкова е популярна, че вероятността промишлено устройство да е съвместимо с HART е почти 1.

6. Оперативна съвместимост

Съвместимите с HART устройства и хост системи могат да работят заедно, независимо от доставчик, модели и други проблеми със съвместимостта / оперативната съвместимост, които тормозят мрежите. Дори хост устройства, които не са проектирани да обработват цифровата информация от HART устройство, все пак ще имат някакво ниво на оперативна съвместимост с комуникации чрез аналогов сигнал 4-20 mA.

WirelessHART

Протоколът HART се е развил през годините с напредък в технологиите и повишена сложност на случаите на употреба. Един от последните продукти на неговото развитие е нова технология, наречена WirelessHART, която предлага напълно нови възможности с безжично предаване на информация HART.

Това е първият стандартизиран (IEC62591) протокол за безжична комуникация в областта на автоматизацията на процесите. За разлика от обикновения протокол HART, той на този етап поддържа комуникация само чрез цифров сигнал, тъй като не се осигурява аналогова комуникация, тъй като не се използва свързващ кабел.

В момента има две различни решения WirelessHART, включително;

Адаптер WirelessHART за подобряване на съществуващите HART устройства
Самостоятелно захранван безжичен HART предавател.

WirelessHART може да се използва на съществуващи кабелни инструменти за събиране на огромно количество информация, която преди това е била блокирана в инструмента, а също така осигурява икономически ефективен, прост и надежден начин за разполагане на нови точки за измерване и контрол без разходите за окабеляване.