Hart'a giriş - karayolu adreslenebilir uzak dönüştürücü iletişim protokolü

Nesnelerin İnterneti (IoT) ana akım haline gelmeden çok önce, iki makinenin (veya içlerindeki bileşenlerin) birbiriyle konuşmasının faydaları, Endüstriyel otomasyon ve kontrol uzmanları için bariz bir şeydi. Motor sürücü rölesini vb. Kontrol etmek için ölçümler gönderen bir krank milinin kalbindeki sıcaklık sensöründeki değerler açıktı ve bunu başarmak için kullanılan iletişim protokollerinden biri HART Protokolüydü.

Dünya çapında kurulu 30 milyondan fazla cihazı temel alan HART Protokolü, endüstriyel otomasyonda en popüler protokol olarak kabul edilmektedir ve bugünkü makale, onu bu kadar özel kılan şeylere genel bir bakış sağlayacaktır. Özelliklerini, uygulamalarını ve WirelessHART gibi yükseltilmiş sürümlerini inceleyeceğiz.

Genel Bakış

Karayolu Adreslenebilir Uzaktan Dönüştürücü (HART) Protokolü, akıllı cihazlar ve kontrol sistemleri arasında analog kablolama yoluyla dijital bilgi göndermek ve almak için endüstriyel otomasyonda kullanılan en popüler Açık iletişim protokollerinden biridir. Bu protokol, RS485 gibi Seri İletişim Protokolünün bir ilerlemesidir ve endüstrilerde de popüler olarak kullanılan olaydır.

1980'lerde Emerson tarafından , yalnızca bir parametre veya ölçülen değer iletebilen mevcut 4-20mA iletişim protokolündeki kusurları gidermek için özel bir iletişim protokolü olarak geliştirildi. HART ile, Endüstriyel otomasyon çabaları, 4-20mA'nın dezavantajlarını gideren çift yönlü iletişimler elde edebilir, ancak HART Protokolü bozulma veya parazit olmadan analog sinyaller üzerine bindirerek dijital sinyaller gönderebildiği için altyapısını da koruyabilir.

Yukarıdakilerin etkisi, iki eşzamanlı iletişim kanalının oluşturulmasıdır: 4-20mA analog sinyal ve bir dijital sinyal. Bu kombinasyon, protokole Hibrit Protokol olarak atıfta bulunulmasının nedenidir. Enstrümantasyon cihazları gibi tipik uygulamalar, birincil ölçülen değeri göndermek için 4-20mA sinyalini kullanabilir ve bilgi göndermek için üst üste bindirilmiş dijital sinyali kullanabilir.

4-20mA tabanlı cihazlar için destek, şirketlerin eski donanımlarını kullanmaya devam edebilecekleri anlamına geliyordu. Bu, protokolün "Açık" hale gelmesiyle birlikte, protokolün benimsenme düzeylerini endüstride fiili standart haline gelene kadar yükseltti.

HART İletişim Protokolünün Çalışması

HART İletişimi, iki HART özellikli cihaz, tipik olarak bir akıllı saha cihazı ve bir kontrol veya izleme sistemi arasında gerçekleşir. Daha önce açıklandığı gibi, protokole dayalı cihazlar mevcut 4-20mA yaklaşımını kullanarak analog sinyali iletir ve Bell 202 Frekans Kaydırma Anahtarlamasını (FSK) standardı.

FSK prosedürü, gönderilen verinin bitlerini (sırasıyla 1 ve 0) temsil eden tipik olarak 1200Hz ve 2200Hz olmak üzere iki frekansın sinüs dalgalarının üst üste konulmasını içerir. FSK kullanımı, iki frekansın ortalama değerinin her zaman sıfır olmasını sağlayarak analog sinyalin dijital sinyalden etkilenmemesini sağlar.

Ağ Yapılandırma Modları

Çeşitli uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için, HART Protokolü altındaki cihazlar iki ana modda çalışacak şekilde yapılandırılabilir;

Noktadan Noktaya Modu
Çoklu Bırakma Modu

1. Noktadan Noktaya Ağ Modu

Noktadan noktaya modda, dijital sinyaller 4–20 mA döngü akımının üzerine bindirilir, öyle ki hem 4–20 mA akım hem de dijital sinyal ana ve bağımlı arasında mesajların aktarılmasında kullanılabilir. Bu, protokolün analog yarısı üzerinden kontrol sinyalleri gönderilirken dijital sinyaller üzerinden değiş tokuş edilen izleme, bakım ve teşhis amaçları için kullanılabilen ikincil değişkenler ve verilerle birlikte protokolün tipik uygulamasını temsil eder. Bir gösterimi Noktadan Noktaya ağ konfigürasyonunda aşağıdaki resimde sağlanır.

2. Çoklu Bağlantı Ağı Modu

Multi-Drop ağ yapılandırma modu, i2c gibi adres tabanlı protokollere benzer bir şekilde birkaç cihazın aynı kablo çiftine bağlanmasını sağlar. Her bir cihazdan geçen akım, cihaz çalışması için yeterli bir minimum değerde (tipik olarak 4mA) sabitlendiğinden, analog döngü akımı üzerinden iletişim devre dışı bırakıldığından, çoklu bağlantı modunda iletişim tamamen dijitaldir. Çok noktalı ağ yapılandırmaları, genellikle tank çiftlikleri ve boru hatlarında olduğu gibi geniş aralıklı denetim kontrol uygulamalarında kullanılır. Çok Bırak ağ yapılandırması aşağıdaki resimde gösterilmektedir.

İletişim Modları

Genel olarak, HART Protokolü altındaki iletişimler için, ağdaki bir cihazın, genellikle dağıtılmış bir kontrol sistemi veya PLC'nin Ana olarak belirlenmesi gerekirken, diğer (ler), genellikle sensörler veya aktüatörler gibi alan cihazları, bağımlı cihazlar olarak belirlenir.

Ancak, bağımlı birimlerin ana birimle iletişim kurma şekli, ağın yapılandırıldığı iletişim moduna bağlıdır. HART protokolü uyumlu cihazlardan oluşan bir ağ, iki modda iletişim kuracak şekilde ayarlanabilir;

İstek-Yanıt iletişim Modu
Seri Çekim Modu

1. Talep-Yanıt İletişim Modu

Talep-Yanıt İletişimi modunda, ikincil cihazlar yalnızca Ana cihaz tarafından bir talep yayınlandığında bilgi iletir. Bu modun dezavantajları özellikle azaltılmış iletişim hızına sahipken (saniyede 2-3 veri güncellemesi), protokolün basit, etkili ve uygulanması kolay olmasına yardımcı olur.

2. Seri Çekim Modu

Uygulama gereksinimlerindeki çeşitliliğe yer açmak için protokolde "Burst" Modu adı verilen başka bir iletişim modu vardır. Bu modda, bağımlı cihazlar, ana birimden tekrarlanan taleplere gerek kalmadan tek bir bilgi parçasını sürekli olarak gönderebilir. Bu mod, saniyede 3-4 güncellemeyle daha hızlı bir iletişim hızı sunar ve genellikle HART Döngüsünden gelen iletişimi dinlemek için birden fazla HART cihazının gerekli olduğu senaryolarda kullanılır.

Çoğu endüstriyel uygulamada istenen harici izlemeye izin vermek için, her iki iletişim modu da birincil ve ikincil olarak tanımlanan iki ana yöneticiyi destekler. Yukarıdaki resimde gösterildiği gibi Birincil ana birim, genellikle ana kontrol / izleme sistemidir, ikincil ana ise genellikle yalnızca HART döngüsüne kısa bir süre için bağlanan HART Communicator olarak adlandırılan el terminalleri gibi bir cihazdır.

Faydaları

HART protokolünün kendi sınıfındaki diğerlerine göre avantajlarından bazıları şunlardır;

1. İki yönlü iletişim

Örneğin 4-20mA analog sinyalin kullanılması, yalnızca bir yönde bilgi akışına izin verir (Vericiden alıcıya). HART İletişimi ile veriler her iki yönde de hareket edebilir.

2. Yeni Bilgi Türleri

4-20mA gibi geleneksel iletişim kanalları, doğrulama için yer olmaksızın yalnızca tek bir proses değişkeninin iletişimine izin verir, ancak HART ile, proses değişkeniyle birlikte 40 adede kadar ek bilgi alabilirsiniz.

HART tabanlı cihazlardan toplanabilecek bazı ek bilgi örnekleri şunları içerir;

Cihaz Durumu ve Teşhis Uyarıları
Süreç Değişkenleri ve Birimleri
Döngü Akımı &% Aralığı
Temel Yapılandırma Parametreleri
Üretici ve Cihaz Etiketi

Bu ekstra bilgilerin bir kombinasyonunu kullanarak, HART cihazları, konfigürasyonları veya işlemleri ile ilgili sorunları ana / ana cihaza kendi kendilerine rapor edebilir. Bu, rutin kontrollere olan ihtiyacı azaltmaya yardımcı olur ve kestirimci bakım için çok faydalı olabilir.

3. Çok Değişkenli Cihazlar

Dijital modda, tek bir kablo çifti birden çok değişkeni işleyebilir. Örneğin, bir verici birden fazla sensörden gelen girdileri işleyebilir

4. Satıcı Bağımsızlığı

HART ile ilgili her şey, Emerson tarafından HART Communications Foundation'a devredildi, çünkü bu tür standartlar açık ve tek bir satıcıya özgü değil. Bu, sınırlı bir satıcıya özgü veya bölgesel "standartlara" kilitlenme tehlikesi olmadığı anlamına gelir.

5. Arz Genişliği

HART, şu anda tüm dünyada proses endüstrisi için en yaygın şekilde desteklenen protokol olarak kabul edilmektedir. O kadar popüler ki endüstriyel bir cihazın HART Uyumlu olma olasılığı neredeyse 1'dir.

6. Birlikte çalışabilirlik

HART uyumlu cihazlar ve ana bilgisayar sistemleri, satıcı, model ve ağları rahatsız eden diğer uyumluluk / birlikte çalışabilirlik sorunlarından bağımsız olarak birlikte çalışabilir. Bir HART cihazından gelen dijital bilgileri işlemek için tasarlanmamış ana cihazlar bile, 4-20 mA analog sinyal yoluyla iletişimle bir miktar birlikte çalışabilirliğe sahip olacaktır.

WirelessHART

HART Protokolü, teknolojideki gelişmeler ve kullanım durumlarının artan karmaşıklığı ile yıllar içinde gelişmiştir. Evriminin son ürünlerinden biri, HART Bilgilerinin kablosuz iletimi ile tamamen yeni olanaklar sunan WirelessHART adlı yeni bir teknolojidir.

Proses otomasyonu alanında ilk standartlaştırılmış (IEC62591) kablosuz iletişim protokolüdür. Normal HART Protokolünden farklı olarak, bu aşamada, bağlantı kablosu kullanılmadığı için analog iletişim sağlanmadığından yalnızca dijital sinyal üzerinden iletişimi destekler.

Şu anda iki farklı WirelessHART Çözümü bulunmaktadır;

Mevcut HART Cihazlarını geliştirmek için bir WirelessHART Adaptörü
Kendi kendine çalışan bir WirelessHART Verici.

WirelessHART, cihazda önceden mahsur kalmış büyük miktardaki bilgiyi toplamak için mevcut kablolu cihazlarda kullanılabilir ve ayrıca kablolama maliyetleri olmadan yeni ölçüm ve kontrol noktalarının devreye alınması için uygun maliyetli, basit ve güvenilir bir yol sağlar.