פרוטוקול HART: ארכיטקטורה, עבודה ויישומיה

כרגע ב אוטומציה תעשייתית , נעשה שימוש בסוגים שונים של מכשירי שטח חכמים אך ניטור כל מכשיר קשה מאוד בתעשייה על ידי רשויות או מהנדסי שטח. אז בדרך כלל, סוג זה של ניטור מושג עם מכשירים חכמים, המאפשרים העברת נתונים בין מכשירים מחוברים שונים בתוך ומחוץ לתעשייה למערכת הניטור העיקרית. אז, פרוטוקול HART הוצג בשנת 1980 ומתבסס על תקני Bell 202. פרוטוקול זה הפך לתקן תעשייתי, ולכן נעשה בו שימוש באוטומציה תעשייתית. אז, מאמר זה דן בסקירה כללית של פרוטוקול HART - עבודה עם אפליקציות.

מהו פרוטוקול HART?

המונח HART בפרוטוקול HART מייצג 'Highway Addressable Remote Transducer' שהוא פרוטוקול סטנדרטי פתוח המשמש ברחבי העולם לשידור וקבלת נתונים דיגיטליים עם חיווט אנלוגי בין מכשירים חכמים & מערכות בקרה . פרוטוקול זה פופולרי מאוד, כך שמעל 30 מיליון מכשירים ברחבי העולם מופעלים בפרוטוקול HART. פרוטוקול זה משמש ליצירת תקשורת בין מערכות מארחות כמו גם התקני שטח חכמים בתעשיות.

פרוטוקול HART זכה לפופולריות רבה יותר בשל יכולתו לתמוך בפרוטוקול האנלוגי הישן יותר מבוסס 4-20 mA, תוך שהוא כולל את היתרונות העיקריים של מכשור חכם דיגיטלי.
פרוטוקול זה מתאר טכנולוגיית חיבור פיזית וגם פקודות המשמשות יישומים שונים. פקודות הארט הן שלושה סוגים אוניברסליים, נוהגים רגילים ומכשיר ספציפי.
פקודות מסוג אוניברסלי מיושמות דרך כל מכשירי HART. פקודות אלו משמשות בעיקר בקר לזיהוי התקן שטח וכן קריאת נתוני תהליך.

פקודות מסוג Common Practice משמשות לתיאור פונקציות שונות החלות בדרך כלל על התקני שטח בלבד. התקנים אלה כוללים פקודות לשינוי הטווח, בחירת יחידות הנדסיות וביצוע בדיקות עצמיות.

פקודות מסוג ספציפי למכשיר אינן זהות עבור כל מכשיר. פקודות אלו מבצעות פונקציות תצורה ושינוי ייחודיות. לכן, חשוב מאוד לציין שכאשר מכשירים מיצרנים שונים מיישמים פונקציונליות דומה חיצונית. לדוגמה, מדידת לחץ דיפרנציאלית עשויה לכלול חומרה שונה לחלוטין וגם ערכות פקודות שונות למכשיר.

ארכיטקטורת פרוטוקול HART

פרוטוקול HART פועל בשתי תצורות רשת כמו נקודה לנקודה ומספר נקודות אשר נדון להלן.

תצורת רשת נקודה לנקודה

בתצורת הרשת מנקודה לנקודה, לתקשורת של משתנה תהליך בודד, האות הקבוע של 4-20 mA מנוצל בעוד משתני תהליך נוספים ופרמטרי עיצוב משודרים דיגיטלית עם פרוטוקול HART. אז האות האנלוגי של 4-20 mA אינו משתנה על ידי אות HART וניתן להשתמש בו בצורה רגילה. האות הדיגיטלי לתקשורת HART מספק את הזכות לכניסה למשתנים משניים וניתן להשתמש בנתונים אחרים למטרות תחזוקה, הפעלה, תפעול ואבחון.

תצורת רשת מרובה דרופ

תצורת רשת זו מאפשרת לחבר התקנים שונים באמצעות זוג חוטים בודדים. התקשורת בתצורה זו היא דיגיטלית לחלוטין מכיוון שהתקשורת לאורך זרם הלולאה האנלוגית מושבתת מכיוון שהזרם בכל מכשיר קבוע בערך מינימלי מספיק להפעלת המכשיר בדרך כלל 4mA.

כיצד פועלת תקשורת HART?

פרוטוקול התקשורת HART משתמש בתקן Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) כדי להצמיד אותות דיגיטליים שמיוצגים בשני תדרים שונים כמו 1,200 הרץ ו-2,200 הרץ. כאן, תדר 1,200 הרץ מייצג ביט 1 ואילו תדר 2,200 הרץ מייצג סיביות 0 בהתאם.

כאשר גלי סינוס עם תדרים אלו מתמקמים על כבלי אות אנלוגיים DC אז מתרחשת העברת הנתונים. לכן, במהלך העברת נתונים זו, האות של 4-20 mA אינו מושפע עקב הערך הסטנדרטי של אות מפתח הסטת תדר שווה ערך לאפס. פרוטוקול זה תומך בו זמנית בשני ערוצי תקשורת כמו אות אנלוגי 4-20 mA ואותות דיגיטליים.

האות האנלוגי מתקשר את הערך הנמדד העיקרי עם לולאת הזרם של 4-20mA בעוד שנתוני ההתקן הנוספים מועברים באמצעות אות דיגיטלי שמכוסה על האות האנלוגי.
האות הדיגיטלי כולל את המידע של המכשיר כמו מצב המכשיר, אבחון, ערכים מחושבים וכו'. כך שביחד, שני ערוצי התקשורת מציעים פתרון תקשורת חזק מאוד ובעלות נמוכה, שקל מאוד להשתמש בו ולהגדיר אותו. פרוטוקול זה נקרא לעתים קרובות פרוטוקול היברידי מכיוון שהוא משלב תקשורת אנלוגית ודיגיטלית כאחד.

טכנולוגיית HART נבדלת כפרוטוקול מאסטר/עבד מכיוון שהתקן העבד עובד רק לאחר שמחובר אליו התקן מאסטר. כאן, מכשיר העבד הוא מכשיר חכם, והמכשיר הראשי הוא מחשב.

מצבים של פרוטוקול HART

בדרך כלל, לתקשורת בתוך פרוטוקול HART, ההתקן המשמש ברשת הוא PLC או מערכת בקרה מבוזרת שנבחרה כמאסטר בעוד התקני שטח אחרים נחשבים כעבדים כמו חיישנים או מפעילים. אבל כאן התקשורת בין אדון לעבד תלויה בעיקר באופן התקשורת אליו מסודרת המערכת. רשת פרוטוקול HART מתקשרת בשני מצבים כמו מצב מאסטר/עבד ומצב פרץ.

מצב מאסטר/עבד

מצב זה ידוע גם כמצב בקשה-תגובה. במצב מסוג זה, התקני עבד פשוט משדרים נתונים ברגע שמונפקת בקשה מהתקן הראשי. עבור כל לולאת HART, ניתן לחבר שני מאסטרים. אז המאסטר הראשי הוא בדרך כלל DCS (מערכת בקרה מבוזרת), PC (מחשב אישי) או PLC (בקר לוגי ניתן לתכנות) בעוד שהמאסטר המשני הוא מחשב אחר או מסוף כף יד. התקני עבד הם מפעילים, בקרים ומשדרים המגיבים לפקודות מהתקני המאסטר.

מצב פרץ

חלק מהמכשירים התומכים בפרוטוקול HART פשוט תומכים במצב תקשורת זה. מצב זה מאפשר תקשורת מהירה יותר כמו שלושה עד ארבעה עדכוני נתונים לכל שנייה. ההתקן הראשי במצב זה מורה למכשיר העבד להעביר הודעת תשובה טיפוסית של HART ברציפות. המאסטר מקבל את ההודעה במהירות גבוהה עד שהוא מורה לעבד להפסיק להתפוצץ. מצב זה ישים כאשר התקן HART אחד לעיל נחוץ כדי לתקשר מלולאת HART.

פרוטוקול HART לעומת Modbus

ההבדל בין פרוטוקול HART לבין Modbus כולל את הדברים הבאים.

יתרונות

ה היתרונות של פרוטוקול HART כלול את הבאים.

• המכשירים המופעלים על ידי פרוטוקול HART פשוט מאפשרים למשתמשים לגרום למכשיר להשתמש בנתונים הטובים ביותר כדי לייעל את היכולות התפעוליות שלהם.
• זה מקטין את זמני ההשבתה בגלל כשל בציוד על ידי זיהוי הבעיות הפוטנציאליות לפני שהן קורות.
• זה מפחית את עלויות המלאי והתחזוקה של מכשירים.
• זה מקטין את זמני ההמתנה לזיהוי בעיות ופתרון בעיות.
• זה משפר את רמות שלמות הבטיחות על ידי שימוש באבחון מתקדם.
• היתרונות של בחירת פרוטוקול HART כוללים בעיקר; יכולת דיגיטלית, יכולת אנלוגית, זמינות ויכולת פעולה הדדית.
• ניתן להשתמש בפרוטוקול זה גם עם מכשירים וחיישנים שונים.
• התקנים מבוססי פרוטוקול HART מקובלים באופן נרחב בתעשיות.
• פרוטוקול זה מגביר את זמינות המערכת, סדירות ההתקדמות וכו'.

חסרונות

ה החסרונות של פרוטוקול HART כלול את הבאים.

• האות הדיגיטלי בתוך שידור HART הוא איטי למדי.
• עבור סידור מרובה טיפות, האות האנלוגי אינו נגיש והלא. של מכשירים שיכולים לפצל את קו השידור מוגבל.
• זה יכול לנטר משתנה תהליך אחד בלבד בכל עת.
• סוג זה של פרוטוקול איטי במקצת בהשוואה למערכות Fieldbus אחרות כגון Profibus & Foundation Fieldbus. אז זמן התגובה האיטי הזה גורם לכמה קשיים בכמה יישומים מבוססי תעשייה.
• בדרך כלל, המהירות של פרוטוקול HART מספיקה למערכות ניטור פשוטות בכל מקום שבו משתני התהליך אינם משתנים במהירות.

יישומים

ה יישומים של פרוטוקול HART כלול את הבאים.

• פרוטוקול HART משמש ברחבי העולם לשידור וקליטת נתונים דיגיטליים עם חיווט אנלוגי בין מכשירים חכמים ומערכות בקרה.
• זהו פרוטוקול פופולרי מאוד המשמש באוטומציה תעשייתית.
• פרוטוקול זה מיועד בעיקר לניתוח מכשירים חכמים.
• זה מנוצל באופן נרחב במערכות תהליכים ומכשור.
• סוג זה של פרוטוקול תקשורת אידיאלי עבור מכשירים מרובי-משתנים הכוללים מדי זרימת מסה בכל מקום בו ניתן להעביר זרימה נפחית, זרימת מסה, צפיפות וטמפרטורה אל מערכת הבקרה באמצעות כבל יחיד.
• פרוטוקול זה מיועד בעיקר לשימוש ביישומי בקרת תהליכים ומדידה תעשייתיים.
• פרוטוקול HART משמש בעיקר בתעשיות תהליכיות לתקשורת בין מכשירים שונים.

לפיכך, מדובר ב- הפעלת פרוטוקול HART . פרוטוקול זה הוא התקן העולמי המשמש לשידור וקבלה של נתונים דיגיטליים על פני חוטים אנלוגיים בין התקני שטח חכמים וכן מערכות ניטור או בקרה כגון מערכות DCS ו-PLC. פרוטוקול תקשורת דו-כיווני זה פשוט מספק את הזכות לכניסה לנתונים נוספים בין השדה לבקר המארח, החל ממכשיר כף יד למערכת ניהול נכסים או בקר מפעל. הנה שאלה: מהי הצורה המלאה של פרוטוקול HART?