- Yleiskatsaus
- HART-tiedonsiirtoprotokollan toiminta
- Verkon määritystilat
- 1. Pisteestä pisteeseen -verkkotila
- 2. Usean pudotuksen verkkotila
- Viestintätilat
- Edut
- WirelessHART
Edut kahden koneen (tai niiden sisällä olevien komponenttien) saamisesta keskustelemaan ovat olleet ilmeisiä teollisen automaation ja ohjauksen asiantuntijoille, ennen kuin esineiden internetistä (IoT) tuli valtavirtaa. Kampiakselin sydämessä olevan lämpötila-anturin arvot, jotka lähettivät mittauksia moottorikäyttöisen releen jne. Ohjaamiseksi, olivat selvät, ja yksi tämän saavuttamiseksi käytetyistä tiedonsiirtoprotokollista oli HART-protokolla.
Yli 30 miljoonaa siihen perustuvaa laitetta, jotka on asennettu ympäri maailmaa, HART-protokollaa pidetään teollisuuden automaation suosituimpana protokollana, ja tämän päivän artikkeli antaa yleiskuvan siitä, mikä tekee siitä niin erikoisen. Tutkimme sen ominaisuuksia, sovelluksia ja päivitettyjä versioita, kuten WirelessHART.
Yleiskatsaus
Highway Addressable Remote Transducer (HART) -protokolla on yksi suosituimmista avoimen viestinnän protokollista, joita käytetään teollisessa automaatiossa digitaalisten tietojen lähettämiseen ja vastaanottamiseen analogisten johdotusten kautta älylaitteiden ja ohjausjärjestelmien välillä. Tämä protokolla on sarjaliikenneprotokollan, kuten RS485: n, ja tapahtuman edistysaskel, jota käytetään myös yleisesti teollisuudessa.
Emerson kehitti sen 1980-luvulla omana tietoliikenneprotokollana korjaamaan nykyisen 4-20 mA: n tietoliikenneprotokollan viat , jotka pystyivät välittämään vain yhden parametrin tai mitatun arvon. HART: n avulla teollisuusautomaatioprosessit voisivat saavuttaa kaksisuuntaisen viestinnän, joka korjasi 4-20 mA: n haitat, mutta myös säilyttää infrastruktuurinsa, koska HART-protokolla voi lähettää digitaalisia signaaleja asettamalla ne analogisiin signaaleihin ilman vääristymiä tai häiriöitä.
Edellä mainitun seurauksena on kahden samanaikaisen viestintäkanavan luominen: 4-20 mA: n analoginen signaali ja digitaalinen signaali. Tämän yhdistelmän vuoksi protokollaa kutsutaan hybridiprotokollaksi. Tyypilliset sovellukset, kuten instrumentointilaitteet, voivat käyttää 4 - 20 mA: n signaalia ensisijaisen mitatun arvon lähettämiseen ja käyttää päällekkäistä digitaalista signaalia tietojen lähettämiseen.
4-20 mA: n laitteiden tuki tarkoitti sitä, että yritykset voisivat jatkaa vanhojen laitteidensa käyttöä. Tämä yhdessä protokollan muuttumisesta "avoimeksi" nosti protokollan käyttöönottotasoa korkealle, kunnes siitä tuli alan tosiasiallinen standardi.
HART-tiedonsiirtoprotokollan toiminta
HART-tiedonsiirto tapahtuu kahden HART-yhteensopivan laitteen välillä, tyypillisesti älykäs laite ja ohjaus- tai valvontajärjestelmä. Kuten aiemmin on kuvattu, protokollaan perustuvat laitteet lähettävät analogista signaalia käyttäen nykyistä 4-20mA-lähestymistapaa ja digitaaliset signaalit asettamalla signaalin (vaihtovirtasignaalina) 4-20mA-analogiasignaaliin Bell 202 -taajuusavaimen avulla (FSK) -standardi.
FSK-menettelyyn kuuluu kahden taajuuden, tyypillisesti 1200 Hz ja 2200 Hz, aaltoaaltojen asettaminen, jotka edustavat lähetettävän datan bittejä (1 ja 0 vastaavasti). FSK: n käyttö varmistaa, että kahden taajuuden keskiarvo on aina nolla, varmistaen, että digitaalinen signaali ei vaikuta analogiseen signaaliin.
Verkon määritystilat
Erilaisten sovellusten tarpeiden mukaan HART-protokollan mukaiset laitteet voidaan määrittää toimimaan kahdessa päätilassa;
- Pisteestä pisteeseen -tila
- Usean pudotuksen tila
1. Pisteestä pisteeseen -verkkotila
Pisteestä pisteeseen -tilassa digitaaliset signaalit peitetään 4–20 mA: n silmukkavirralla siten, että sekä 4–20 mA: n virtaa että digitaalista signaalia voidaan käyttää viestien välittämiseen isännän ja orjan välillä. Tämä edustaa protokollan tyypillistä sovellusta, toissijaisten muuttujien ja tietojen avulla, joita voidaan käyttää seurantaan, ylläpitoon ja diagnostiikkaan, vaihdettaessa digitaalisiin signaaleihin samalla kun ohjaussignaalit lähetetään protokollan analogisen puoliskon yli. Alla olevassa kuvassa on esimerkki pisteestä pisteeseen -verkon kokoonpanoon.
2. Usean pudotuksen verkkotila
Multi-Drop-verkon määritystila mahdollistaa useiden laitteiden liittämisen samalle johdinparille samalla tavalla kuin osoitepohjaiset protokollat, kuten i2c. Viestintä usean pudotuksen tilassa on täysin digitaalista, koska tiedonsiirto analogisen silmukkavirran kautta on estetty, koska jokaisen laitteen läpi kulkeva virta on kiinteä minimiarvolla, joka riittää laitteen toimintaan (tyypillisesti 4 mA). Usean pudotuksen verkkokokoonpanoja käytetään tyypillisesti valvonnan ohjaussovelluksissa, jotka ovat laajalla etäisyydellä kuten säiliötiloilla ja putkistoissa. Multi-Drop verkkoasetukset on esitetty alla olevassa kuvassa.
Viestintätilat
Yleensä HART-protokollan mukaisessa viestinnässä yksi verkon laite, yleensä hajautettu ohjausjärjestelmä tai PLC, vaaditaan nimeämään päälliköksi, kun taas muut laitteet, yleensä kenttälaitteet, kuten anturit tai toimilaitteet, nimetään orjiksi.
Tapa, jolla orjat kommunikoivat isännän kanssa, riippuu kuitenkin viestintätilasta, johon verkko on konfiguroitu. HART-protokollan mukaisten laitteiden verkko voidaan perustaa kommunikoimaan kahdessa tilassa, nimittäin;
- Pyyntö-vastaus-viestintätila
- Sarjakuvaustila
1. Pyyntö-vastaus-viestintätila
Request-Response Communication -tilassa orjalaitteet lähettävät tietoja vain, kun isäntälaite lähettää pyynnön. Vaikka tällä tilalla on haittoja, erityisesti pienempi tiedonsiirtonopeus (2-3 datapäivitystä sekunnissa), se auttaa pitämään protokollan yksinkertaisena, tehokkaana ja helposti toteutettavissa.
2. Sarjakuvaustila
Jotta sovellusvaatimuksissa olisi tilaa vaihteluille, protokollalla on toinen tiedonsiirtotapa, jota kutsutaan “Burst” -tilaksi. Tässä tilassa orjalaitteet voivat lähettää yhden tiedon jatkuvasti, ilman isännän toistuvia pyyntöjä. Tämä tila tarjoaa nopeamman tiedonsiirtonopeuden jopa 3-4 päivitystä sekunnissa, ja sitä käytetään tyypillisesti tilanteissa, joissa tarvitaan enemmän kuin yhtä HART-laitetta kuuntelemaan viestintää HART-silmukasta.
Ulkoisen valvonnan mahdollistamiseksi, jota halutaan useimmille teollisille sovelluksille, molemmat viestintätilat tukevat korkeintaan kahta pää- ja toissijaiseksi määritettyä masteria. Ensisijainen isäntä, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty, on yleensä pääohjaus- / seurantajärjestelmä, kun taas toissijainen isäntälaite on yleensä laite, kuten kämmenterminaalit eli HART Communicator, joka on kytketty HART-silmukkaan vain lyhyen ajan.
Edut
Joitakin HART-protokollan etuja muihin luokkiin verrattuna ovat:
1. Kaksisuuntainen viestintä
Esimerkiksi 4 - 20 mA: n analogisen signaalin käyttö sallii tiedon kulkemisen vain yhteen suuntaan (lähetin vastaanottimeen). HART-tiedonsiirron avulla data voi liikkua molempiin suuntiin.
2. Uudentyyppiset tiedot
Perinteiset viestintäkanavat, kuten 4-20 mA, mahdollistavat vain yhden prosessimuuttujan kommunikoinnin ilman tilaa validoinnille, mutta HART: n avulla voit saada jopa 40 lisätietoa prosessimuuttujan ohella.
Joitakin esimerkkejä lisätiedoista, jotka voitaisiin hankkia HART-pohjaisista laitteista, ovat;
- Laitteen tila ja diagnostiikkahälytykset
- Prosessimuuttujat ja yksiköt
- Silmukan virta &% -alue
- Perusmääritysparametrit
- Valmistaja- ja laitetunniste
Käyttämällä näiden lisätietojen yhdistelmää HART-laitteet voivat itse ilmoittaa kokoonpanoonsa tai toimintoihinsa liittyvät ongelmat pää- / isäntälaitteelle. Tämä auttaa vähentämään rutiinitarkastusten tarvetta ja voi olla hyödyllinen ennakoivassa kunnossapidossa.
3. Monivaihtelevat laitteet
Digitaalisessa tilassa yksi johdinpari voi käsitellä useita muuttujia. Esimerkiksi yksi lähetin voisi käsitellä tuloja useista antureista
4. Toimittajan riippumattomuus
Emerson luovutti kaiken HARTiin liittyvän HART Communications Foundationille, koska standardit ovat avoimia eivätkä ole vain yhden toimittajan omia. Tämä tarkoittaa, että ei ole vaaraa lukkiutua rajoitettuihin toimittajakohtaisiin tai alueellisiin "standardeihin".
5. Tarjonnan leveys
HARTia pidetään tällä hetkellä prosessiteollisuuden laajimmin tuettuna protokollana. Se on niin suosittua, että todennäköisyys, että teollisuuslaite on HART-yhteensopiva, on melkein yksi.
6. Yhteentoimivuus
HART-yhteensopivat laitteet ja isäntäjärjestelmät voivat toimia yhdessä toimittajista, malleista ja muista verkkoja vaivaavista yhteensopivuus- / yhteentoimivuusongelmista riippumatta. Jopa isäntälaitteilla, joita ei ole suunniteltu käsittelemään HART-laitteen digitaalista tietoa, on silti jonkin verran yhteentoimivuutta 4-20 mA analogisen signaalin kautta tapahtuvan viestinnän kanssa.
WirelessHART
HART-protokolla on kehittynyt vuosien varrella tekniikan kehityksen ja käyttötapausten hienostuneisuuden myötä. Yksi sen viimeisimmistä tuotteista on uusi tekniikka nimeltä WirelessHART, joka tarjoaa täysin uusia mahdollisuuksia HART-tiedonsiirron langattomasti.
Se on ensimmäinen standardoitu (IEC62591) langaton tiedonsiirtoprotokolla prosessiautomaation alalla. Toisin kuin tavallinen HART-protokolla, se tukee tässä vaiheessa vain tiedonsiirtoa digitaalisen signaalin kautta, koska analogista tiedonsiirtoa ei tarjota, koska liitäntäkaapelia ei käytetä.
Tällä hetkellä on olemassa kaksi erilaista WirelessHART-ratkaisua, mukaan lukien;
- WirelessHART-sovitin olemassa olevien HART-laitteiden parantamiseen
- Itsekäyttöinen WirelessHART-lähetin.
WirelessHARTia voidaan käyttää olemassa olevissa langallisissa laitteissa keräämään valtava määrä tietoa, joka aiemmin oli juuttunut laitteeseen, ja tarjoaa myös kustannustehokkaan, yksinkertaisen ja luotettavan tavan käyttää uusia mittaus- ja ohjauspisteitä ilman johdotuskustannuksia.