Introduktion till hart - adresserbart kommunikationsprotokoll för fjärrgivare

Fördelarna med att få två maskiner (eller komponenter i dem), att prata med varandra har varit uppenbara för experter inom industriell automatisering och styrning, långt innan sakernas internet (IoT) blev mainstream. Värdena i en temperatursensor i hjärtat av en vevaxel som skickade mätningar för att styra motorns drivrelä etc. var tydliga och ett av de kommunikationsprotokoll som användes för att uppnå detta var HART-protokollet.

Med över 30 miljoner enheter baserade på den, installerade runt om i världen, anses HART-protokollet vara det mest populära protokollet inom industriell automatisering och dagens artikel ger en översikt över vad som gör det så speciellt. Vi kommer att undersöka dess funktioner, applikationer och uppgraderade versioner som WirelessHART.

Översikt

Highway Addressable Remote Transducer (HART) Protocol är ett av de mest populära öppna kommunikationsprotokoll som används i industriell automatisering för att skicka och ta emot digital information via analoga ledningar mellan smarta enheter och styrsystem. Detta protokoll är ett framsteg av Serial Communication Protocol som RS485 och ett evenemang som också används populärt i branscherna.

Den utvecklades av Emerson på 1980-talet som ett eget kommunikationsprotokoll för att åtgärda defekterna i det befintliga 4-20mA-kommunikationsprotokollet, som bara kunde överföra en parameter eller uppmätt värde. Med HART kan industriell automationsansträngning uppnå dubbelriktad kommunikation som fixade nackdelarna med 4-20 mA, men också behåller sin infrastruktur eftersom HART-protokollet kan skicka digitala signaler genom att lägga den på de analoga signalerna utan förvrängning eller störning.

Effekten av ovanstående är skapandet av två samtidiga kommunikationskanaler: 4-20mA analog signal och en digital signal. Denna kombination är anledningen till att protokollet kallas ett hybridprotokoll. Typiska applikationer som instrumentenheter kan använda 4-20mA-signalen för att skicka det primära uppmätta värdet och använda den överlagrade digitala signalen för att skicka information.

Stödet för 4-20mA-baserade enheter innebar att företag kunde fortsätta använda sin äldre hårdvara. Detta, tillsammans med att protokollet blev "öppet", drev antagningsnivåerna för protokollet högt, tills det blev de facto standard i branschen

Arbeta med HART-kommunikationsprotokoll

HART-kommunikation sker mellan två HART-aktiverade enheter, vanligtvis en smart fältanordning och ett kontroll- eller övervakningssystem. Som beskrivits tidigare sänder enheter baserade på protokollet analog signal med den befintliga 4-20mA-metoden och digitala signaler genom att överlappa signalen (som en växelströmssignal) på den 4-20mA analoga signalen med Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) -standard.

FSK-proceduren innefattar att överföra sinusvågorna för två frekvenser, typiskt 1200Hz och 2200Hz, som representerar bitarna (1 respektive 0) för den data som skickas. Användningen av FSK säkerställer att medelvärdet för de två frekvenserna alltid är noll, så att den analoga signalen inte påverkas av den digitala signalen.

Nätverkskonfigurationslägen

För att tillgodose behoven hos olika applikationer kan enheter under HART Protocol konfigureras för att fungera i två huvudlägen;

1. Peka-till-punkt-läge
2. Multi-Drop-läge

1. Punkt-till-punkt-nätverksläge

I punkt-till-läge-läge läggs de digitala signalerna på 4–20 mA-slingströmmen på ett sådant sätt att både 4–20 mA-strömmen och den digitala signalen kan användas för att överföra meddelanden mellan mastern och slaven. Detta representerar den typiska tillämpningen av protokollet, med sekundära variabler och data, som kan användas för övervakning, underhåll och diagnostiska ändamål, som utbyts över de digitala signalerna medan styrsignaler skickas över den analoga halvan av protokollet. En bild av konfigurationen av punkt-till-punkt-nätverk ges i bilden nedan.

2. Nätverksläge för flera droppar

Multi-Drop-nätverkskonfigurationsläget gör det möjligt för flera enheter att anslutas på samma trådpar på ett sätt som liknar adressbaserade protokoll som i2c. Kommunikation i multidroppsläge är helt digital eftersom kommunikation via den analoga slingströmmen är inaktiverad eftersom strömmen genom var och en av enheterna är fixerad till ett minimivärde som bara är tillräckligt för enhetsdrift (vanligtvis 4 mA). Multidroppsnätverkskonfigurationer används vanligtvis i övervakningskontrollapplikationer som är mycket fördelade som i tankgårdar och rörledningar. Den nätverkskonfiguration Multi-Drop illustreras i bilden nedan.

Kommunikationslägen

I allmänhet krävs för kommunikation under HART-protokollet en enhet i nätverket, vanligtvis ett distribuerat styrsystem eller PLC, att betecknas som Master medan andra (n), vanligtvis fältanordningar som sensorer eller ställdon, betecknas som slavar.

Hur slavarna kommunicerar med mastern beror dock på det kommunikationsläge som nätverket är konfigurerat till. Ett nätverk av HART-protokollkompatibla enheter kan ställas in för att kommunicera i två lägen, nämligen;

1. Kommunikationsläge för begäran-svar
2. Burst-läge

1. Begär-svar-kommunikationsläge

I läget Begär-svar-kommunikation överför slavenheter endast information när en begäran utfärdas av masterenheten. Även om detta läge har sina nackdelar, särskilt minskad kommunikationshastighet (2-3 datauppdateringar per sekund), hjälper det att hålla protokollet enkelt och effektivt, enkelt att implementera.

2. Burst-läge

För att ge utrymme för variation i applikationskrav har protokollet ett annat kommunikationsläge som kallas "Burst" -läget. I det här läget kan slavenheterna skicka en enda bit information kontinuerligt utan behov av upprepade förfrågningar från mastern. Detta läge erbjuder en snabbare kommunikationshastighet med upp till 3-4 uppdateringar per sekund, och det används vanligtvis i scenarier där mer än en HART-enhet krävs för att lyssna på kommunikation från HART Loop.

För att möjliggöra extern övervakning, önskad för de flesta industriella applikationer, stöder båda kommunikationslägen upp till två mastrar definierade som primära och sekundära. Primärmastern, som illustreras i bilden ovan, är vanligtvis det huvudsakliga styr- / övervakningssystemet medan den sekundära mastern vanligtvis är en enhet som handterminaler aka HART Communicator, som bara är ansluten till HART-slingan under en kort period.

Fördelar

Några av fördelarna med HART-protokollet framför andra i sin klass inkluderar;

1. Tvåvägs kommunikation

Användningen av en 4-20mA analog signal tillåter till exempel informationsflödet i endast en riktning (sändare till mottagaren). Med HART-kommunikation kan data färdas i båda riktningarna.

2. Nya typer av information

Traditionella kommunikationskanaler som 4-20mA tillåter kommunikation av endast en enda processvariabel utan utrymme för validering, men med HART kan du få upp till 40 ytterligare information tillsammans med processvariabeln.

Några exempel på ytterligare information som kan hämtas från HART-baserade enheter inkluderar;

1. Enhetsstatus och diagnostiska varningar
2. Processvariabler och enheter
3. Loop Current &% Range
4. Grundläggande konfigurationsparametrar
5. Tillverkare och enhetstagg

Med hjälp av en kombination av denna extra information kan HART-enheter själv rapportera problem med sin konfiguration eller operation till master / värd-enheten. Detta hjälper till att minska behovet av rutinkontroller och kan vara mycket användbart för förutsägbart underhåll.

3. Multivariabla enheter

I digitalt läge kan ett enda trådpar hantera flera variabler. Till exempel kan en sändare hantera ingångar från flera sensorer

4. Leverantörsoberoende

Allt relaterat till HART överlämnades av Emerson till HART Communications Foundation, eftersom sådana standarder är öppna och inte specifika för en leverantör. Det innebär att det inte finns någon risk att låsa sig in i en begränsad leverantörsspecifik eller regional "standard".

5. Leveransbredd

HART betraktas för närvarande som det mest stödda protokollet för processindustrin över ordet. Det är så populärt att sannolikheten för att en industriell enhet är HART-kompatibel är nästan 1.

6. Interoperabilitet

HART-kompatibla enheter och värdsystem kan fungera tillsammans oavsett leverantör, modeller och andra kompatibilitets- / interoperabilitetsproblem som plågar nätverk. Även värdenheter som inte var utformade för att hantera den digitala informationen från en HART-enhet kommer fortfarande att ha en viss nivå av interoperabilitet med kommunikation via den 4-20 mA analoga signalen.

WirelessHART

HART-protokollet har utvecklats genom åren med framsteg inom teknik och ökad sofistikering av användningsfall. En av de senaste produkterna i dess utveckling är en ny teknik som heter WirelessHART, som erbjuder helt nya möjligheter med trådlös överföring av HART-information.

Det är det första standardiserade (IEC62591) trådlösa kommunikationsprotokollet inom processautomatisering. Till skillnad från det vanliga HART-protokollet stöder det i detta skede endast kommunikation över den digitala signalen eftersom den analoga kommunikationen inte tillhandahålls eftersom ingen anslutningskabel används.

För närvarande finns det två olika WirelessHART-lösningar inklusive;

1. En WirelessHART-adapter för att förbättra befintliga HART-enheter
2. En självdriven WirelessHART-sändare.

WirelessHART kan användas på befintliga trådbundna instrument för att samla in den stora mängden information som tidigare var fastnat i instrumentet, och ger också ett kostnadseffektivt, enkelt och pålitligt sätt att distribuera nya mätpunkter och kontroll utan ledningskostnader.