Uvod u komunikacijski protokol daljinskog pretvarača adresiranog na autocestu

Prednosti navođenja dvaju strojeva (ili komponenata unutar njih) za međusobni razgovor bile su očite stručnjacima za industrijsku automatizaciju i kontrolu, puno prije nego što je Internet stvari (IoT) postao mainstream. Vrijednosti u temperaturnom senzoru u središtu radilice koja šalje mjerenja za upravljanje relejem pogonskog pogona itd. Bile su jasne, a jedan od komunikacijskih protokola korištenih za postizanje toga bio je HART protokol.

S više od 30 milijuna uređaja temeljenih na njemu, instaliranim širom svijeta, HART protokol smatra se najpopularnijim protokolom u industrijskoj automatizaciji, a današnji će članak pružiti pregled onoga što ga čini tako posebnim. Ispitat ćemo njegove značajke, aplikacije i nadograđene verzije poput WirelessHART-a.

Pregled

Protokol za adresiranje daljinskog pretvarača s autoceste (HART) jedan je od najpopularnijih protokola otvorene komunikacije koji se koristi u industrijskoj automatizaciji za slanje i primanje digitalnih podataka putem analognog ožičenja između pametnih uređaja i upravljačkih sustava. Ovaj protokol je napredak protokola serijske komunikacije poput RS485 i događaja koji se također popularno koristi u industriji.

Emerson ga je razvio 1980-ih kao vlastiti komunikacijski protokol za rješavanje nedostataka u postojećem komunikacijskom protokolu 4-20mA, koji je mogao prenositi samo jedan parametar ili izmjerenu vrijednost. Pomoću HART-a napori industrijske automatizacije mogli bi postići dvosmjernu komunikaciju koja je otklonila nedostatke 4-20mA, ali također zadržati svoju infrastrukturu jer HART protokol može slati digitalne signale postavljajući ih na analogne signale bez izobličenja ili smetnji.

Učinak gore navedenog je stvaranje dva simultana komunikacijska kanala: analogni signal 4-20mA i digitalni signal. Zbog ove se kombinacije protokol naziva hibridnim protokolom. Tipične aplikacije poput instrumentacijskih uređaja mogu koristiti signal od 4-20mA za slanje primarne izmjerene vrijednosti, a upotrijebljeni superponirani digitalni signal za slanje informacija.

Podrška za uređaje temeljene na 4-20mA značila je da bi tvrtke mogle nastaviti koristiti svoj naslijeđeni hardver. To je, zajedno s protokolom koji je postao "otvoren", povećalo razinu prihvaćanja protokola sve dok nije postao de-facto standard u industriji

Rad HART komunikacijskog protokola

HART Komunikacija se odvija između dva uređaja s omogućenim HART-om, obično pametnog poljskog uređaja i sustava upravljanja ili nadzora. Kao što je ranije opisano, uređaji koji se temelje na protokolu prenose analogni signal koristeći postojeći pristup 4-20mA, a digitalni signali superponiranjem signala (kao signal izmjenične struje) na analogni signal 4-20mA, pomoću Bell 202 frekvencijskog pomicanja (FSK) standard.

FSK postupak uključuje superponiranje sinusnih valova dviju frekvencija, obično 1200Hz i 2200Hz, koji predstavljaju bitove (1 odnosno 0) podataka koji se šalju. Korištenje FSK osigurava da prosječna vrijednost dviju frekvencija uvijek bude nula, osiguravajući da digitalni signal ne utječe na analogni signal.

Načini mrežne konfiguracije

Kako bi se zadovoljile potrebe različitih aplikacija, uređaji pod HART protokolom mogu se konfigurirati za rad u dva glavna načina;

Način od točke do točke
Način višestrukog ispuštanja

1. Mrežni način od točke do točke

U načinu od točke do točke digitalni signali se prekrivaju na struji petlje 4–20 mA na takav način da se i struja 4–20 mA i digitalni signal mogu koristiti za prijenos poruka između glavnog i pomoćnog uređaja. Ovo predstavlja tipičnu primjenu protokola, sa sekundarnim varijablama i podacima, koji se mogu koristiti za nadzor, održavanje i dijagnostiku, razmjenjujući se putem digitalnih signala, dok se upravljački signali šalju preko analogne polovice protokola. Ilustracija konfiguracije točke od točke do točke nalazi se na donjoj slici.

2. Mrežni način s više kapljica

Način konfiguracije mreže Multi-Drop omogućuje povezivanje nekoliko uređaja na isti par žica na način sličan protokolima temeljenim na adresi poput i2c. Komunikacija u načinu s više kapljica u potpunosti je digitalna jer je komunikacija kroz struju analogne petlje onemogućena jer je struja kroz svaki od uređaja fiksirana na minimalnu vrijednost taman dovoljnu za rad uređaja (obično 4 mA). Konfiguracije mreže s više kapljica obično se koriste u nadzornim aplikacijama upravljanja koje su široko raspoređene kao na farmama cjevovoda i cjevovodima. Konfiguracija Multi-drop mreža je prikazano na donjoj slici.

Načini komunikacije

Općenito, za komunikaciju prema HART protokolu, jedan uređaj u mreži, obično distribuirani upravljački sustav ili PLC, mora biti označen kao glavni, dok su drugi, obično terenski uređaji poput senzora ili aktuatora, određeni kao pomoćni uređaji.

Međutim, način na koji robovi komuniciraju s glavnim upravljačem ovisi o načinu komunikacije na koji je mreža konfigurirana. Mreža uređaja kompatibilnih s protokolom HART može se postaviti za komunikaciju u dva načina, naime;

Način komunikacije zahtjev-odgovor
Način praska

1. Način komunikacije zahtjev-odgovor

U načinu komunikacije zahtjev-odgovor, pomoćni uređaji prenose informacije samo kada glavni uređaj izda zahtjev. Iako ovaj način rada ima svoje nedostatke, posebno smanjenu brzinu komunikacije (2-3 ažuriranja podataka u sekundi), pomaže u održavanju protokola jednostavnim, učinkovitim i lakim za implementaciju.

2. Način praska

Kako bi se napravilo prostora za promjene u zahtjevima aplikacije, protokol ima još jedan način komunikacije koji se naziva "Burst" način. U ovom načinu rada pomoćni uređaji mogu neprestano slati jedan podatak, bez potrebe za ponovljenim zahtjevima glavnog. Ovaj način nudi bržu komunikacijsku brzinu s do 3-4 ažuriranja u sekundi, a obično se koristi u scenarijima kada je za preslušavanje komunikacije iz petlje HART potrebno više od jednog HART uređaja.

Kako bi se omogućio vanjski nadzor, poželjan za većinu industrijskih aplikacija, oba načina komunikacije podržavaju do dva master-a definirana kao primarni i sekundarni. Primarni master, kao što je prikazano na gornjoj slici, obično je glavni sustav upravljanja / nadzora, dok je sekundarni master obično uređaj poput ručnih terminala zvanog HART Communicator, koji je na kratko povezan s HART petljom.

Prednosti

Neke od prednosti HART protokola u odnosu na ostale u svojoj klasi uključuju;

1. Dvosmjerna komunikacija

Primjena analognog signala od 4-20 mA, na primjer, omogućuje protok informacija u samo jednom smjeru (odašiljač do prijemnika). Pomoću HART komunikacije podaci mogu putovati u oba smjera.

2. Nove vrste informacija

Tradicionalni komunikacijski kanali poput 4-20mA omogućuju komunikaciju samo jedne procesne varijable bez mjesta za provjeru, ali s HART-om možete dobiti do 40 dodatnih informacija zajedno s procesnom varijablom.

Neki primjeri dodatnih informacija koje se mogu prikupiti iz uređaja temeljenih na HART-u uključuju;

Uređaj i dijagnostička upozorenja
Procesne varijable i jedinice
Struja petlje i% raspona
Osnovni konfiguracijski parametri
Oznaka proizvođača i uređaja

Koristeći kombinaciju ovih dodatnih informacija, HART uređaji mogu samostalno prijaviti probleme s njihovom konfiguracijom ili operacijama na glavni / glavni uređaj. To pomaže smanjiti potrebu za rutinskim pregledima i moglo bi biti vrlo korisno za prediktivno održavanje.

3. Uređaji s više varijabli

U digitalnom načinu rada, jedan par žica može obraditi više varijabli. Na primjer, jedan odašiljač mogao bi rukovati ulazima s više senzora

4. Neovisnost dobavljača

Sve u vezi s HART-om Emerson je predao zakladi HART Communications, jer su takvi standardi otvoreni i nisu specifični za jednog dobavljača. To znači da ne postoji opasnost da se zaključate u ograničene "specifične" standarde dobavljača ili u regiji.

5. Širina ponude

HART se trenutno smatra najšire podržavanim protokolom za procesnu industriju. Toliko je popularna da je vjerojatnost da je industrijski uređaj kompatibilan s HART-om gotovo 1.

6. Interoperabilnost

Uređaji i host sustavi kompatibilni s HART-om mogu raditi zajedno bez obzira na dobavljača, modele i druge probleme kompatibilnosti / interoperabilnosti koji muče mreže. Čak će i host uređaji koji nisu dizajnirani za obradu digitalnih podataka s HART uređaja i dalje imati određenu razinu interoperabilnosti s komunikacijom putem analognog signala 4-20 mA.

WirelessHART

Protokol HART evoluirao je tijekom godina s napretkom u tehnologiji i povećanom sofisticiranošću slučajeva korištenja. Jedan od najnovijih proizvoda njegove evolucije nova je tehnologija nazvana WirelessHART koja nudi potpuno nove mogućnosti s bežičnim prijenosom HART informacija.

To je prvi standardizirani (IEC62591) bežični komunikacijski protokol u području automatizacije procesa. Za razliku od redovitog HART protokola, on u ovoj fazi podržava samo komunikaciju putem digitalnog signala jer analogna komunikacija nije osigurana jer se ne koristi kabel za povezivanje.

Trenutno postoje dva različita WirelessHART rješenja, uključujući;

Bežični HART adapter za poboljšanje postojećih HART uređaja
Bežični HART odašiljač s vlastitim napajanjem.

WirelessHART se može koristiti na postojećim žičanim instrumentima za prikupljanje ogromne količine podataka koji su prethodno bili nasukani u instrumentu, a također pruža isplativ, jednostavan i pouzdan način postavljanja novih mjernih i kontrolnih točaka bez troškova ožičenja.