Pengenalan protokol komunikasi transduser jarak jauh yang boleh dialamatkan di jalan raya

Manfaat mendapatkan dua mesin (atau komponen di dalamnya), untuk saling berbicara antara satu sama lain jelas dengan pakar automasi dan kawalan Industri, sebelum Internet of Things (IoT) menjadi arus perdana. Nilai-nilai dalam sensor suhu di tengah-tengah pengukuran penghantaran engkol untuk mengendalikan relay pemacu motor dan lain-lain jelas, dan salah satu protokol komunikasi yang digunakan untuk mencapai itu adalah Protokol HART.

Dengan lebih dari 30 juta peranti berdasarkannya, dipasang di seluruh dunia, Protokol HART dianggap sebagai protokol paling popular dalam automasi industri dan artikel hari ini akan memberikan gambaran keseluruhan mengenai apa yang menjadikannya begitu istimewa. Kami akan memeriksa ciri, aplikasi, dan versi yang ditingkatkan seperti WirelessHART.

Gambaran keseluruhan

Protokol Transducer Jarak Jalan Raya (HART) adalah salah satu protokol komunikasi Terbuka yang paling popular yang digunakan dalam automasi industri untuk menghantar dan menerima maklumat digital melalui pendawaian analog antara peranti pintar dan sistem kawalan. Protokol ini adalah kemajuan dari Protokol Komunikasi Serial seperti RS485 dan acara yang juga popular digunakan dalam industri.

Ia dikembangkan oleh Emerson pada tahun 1980-an sebagai protokol komunikasi proprietari untuk mengatasi kecacatan pada protokol komunikasi 4-20mA yang ada , yang hanya dapat mengirimkan satu parameter atau nilai yang diukur. Dengan HART, usaha automasi Perindustrian dapat mencapai komunikasi dua arah yang memperbaiki kekurangan 4-20mA, tetapi juga mengekalkan infrastrukturnya kerana Protokol HART dapat menghantar isyarat digital dengan meletakkannya pada isyarat analog tanpa gangguan atau gangguan.

Kesan dari perkara di atas adalah penciptaan dua saluran komunikasi serentak: isyarat analog 4-20mA dan isyarat digital. Gabungan inilah yang menyebabkan protokol ini disebut sebagai Protokol Hybrid. Aplikasi khas seperti alat instrumentasi dapat menggunakan isyarat 4-20mA untuk mengirim nilai utama yang diukur, dan menggunakan isyarat digital yang terlalu tinggi untuk mengirim maklumat.

Sokongan untuk peranti berasaskan 4-20mA bermaksud syarikat dapat terus menggunakan perkakasan lama mereka. Ini, bersama dengan protokol menjadi "Terbuka", mendorong tingkat adopsi protokol menjadi tinggi, hingga menjadi standar de-facto dalam industri

Mengendalikan Protokol Komunikasi HART

Komunikasi HART berlaku antara dua peranti berkemampuan HART, biasanya peranti medan pintar dan sistem kawalan atau pemantauan. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, peranti berdasarkan protokol menghantar isyarat analog menggunakan pendekatan 4-20mA yang ada, dan isyarat digital dengan meletakkan isyarat (sebagai isyarat arus bolak-balik) pada isyarat analog 4-20mA, dengan menggunakan Kekunci Shift Keying Bell 202 FSK) standard.

Prosedur FSK melibatkan meletakkan gelombang sinus dua frekuensi, biasanya 1200Hz dan 2200Hz, yang mewakili bit (masing-masing 1 dan 0) dari data yang dihantar. Penggunaan FSK memastikan bahawa nilai purata kedua frekuensi sentiasa sifar, memastikan isyarat analog tidak dipengaruhi oleh isyarat digital.

Mod Konfigurasi Rangkaian

Untuk memenuhi keperluan pelbagai aplikasi, peranti di bawah HART Protocol dapat dikonfigurasi untuk beroperasi dalam dua mod utama;

Mod Titik ke Titik
Mod Pelbagai Jatuhan

1. Mod Rangkaian Titik ke Titik

Dalam mod titik ke titik isyarat digital dilapisi pada arus gelung 4–20 mA sedemikian rupa sehingga arus 4–20 mA dan isyarat digital dapat digunakan dalam menyampaikan pesan antara tuan dan hamba. Ini mewakili aplikasi khas protokol, dengan pemboleh ubah sekunder dan data, yang dapat digunakan untuk tujuan pemantauan, pemeliharaan, dan diagnostik, ditukar melalui isyarat digital sementara isyarat kawalan dihantar melalui separuh analog protokol. Ilustrasi konfigurasi Rangkaian Titik ke Titik disediakan dalam gambar di bawah.

2. Mod Rangkaian Multi-Drop

Mod konfigurasi rangkaian Multi-Drop membolehkan beberapa peranti dihubungkan pada sepasang wayar yang sama dengan cara yang serupa dengan protokol berasaskan alamat seperti i2c. Komunikasi dalam mod multi-drop sepenuhnya digital kerana komunikasi melalui arus gelung analog dinonaktifkan kerana arus melalui setiap peranti ditetapkan pada nilai minimum yang cukup untuk operasi peranti (biasanya 4mA). Konfigurasi rangkaian multi-drop biasanya digunakan dalam aplikasi kawalan penyeliaan yang jaraknya luas seperti di ladang tangki dan saluran paip. The konfigurasi rangkaian Multi-Drop digambarkan dalam imej di bawah.

Mod Komunikasi

Secara amnya, untuk komunikasi di bawah Protokol HART, satu peranti dalam rangkaian, biasanya sistem kawalan terdistribusi atau PLC, harus ditetapkan sebagai Master sementara yang lain, biasanya peranti lapangan seperti sensor atau penggerak, ditetapkan sebagai hamba.

Walau bagaimanapun, cara hamba berkomunikasi dengan tuan bergantung pada mod komunikasi yang dikonfigurasi oleh rangkaian. Rangkaian peranti yang mematuhi protokol HART dapat dibentuk untuk berkomunikasi dalam dua mod, iaitu;

Mod komunikasi Permintaan-Respons
Mod Burst

1. Mod Komunikasi Permintaan-Respons

Dalam mod Permintaan-Respons Komunikasi, peranti hamba hanya mengirimkan maklumat apabila permintaan dikeluarkan oleh perangkat Master. Walaupun mod ini mempunyai kekurangannya terutama berkurangnya kecepatan komunikasi (2-3 kemas kini data sesaat), ia membantu menjaga protokol tetap mudah, dan berkesan, mudah dilaksanakan.

2. Mod Burst

Untuk memberi ruang untuk variasi persyaratan aplikasi, protokol memiliki mod komunikasi lain yang disebut "Burst" Mode. Dalam mod ini, peranti hamba dapat mengirim satu maklumat secara berterusan, tanpa memerlukan permintaan berulang dari master. Mod ini menawarkan kelajuan komunikasi yang lebih pantas sehingga 3-4 kemas kini sesaat, dan biasanya digunakan dalam senario di mana lebih daripada satu peranti HART diperlukan untuk mendengar komunikasi dari HART Loop.

Untuk membolehkan pemantauan luaran, yang diinginkan untuk kebanyakan aplikasi perindustrian, kedua-dua mod komunikasi menyokong hingga dua master yang didefinisikan sebagai primer dan sekunder. Master utama, seperti yang digambarkan dalam gambar di atas, biasanya merupakan sistem kawalan / pemantauan utama sementara master sekunder biasanya merupakan peranti seperti terminal genggam aka HART Communicator, yang hanya disambungkan ke gelung HART untuk jangka masa yang pendek.

Kebaikan

Beberapa kelebihan protokol HART berbanding yang lain di kelasnya termasuk;

1. Komunikasi dua hala

Penggunaan isyarat analog 4-20mA, misalnya, memungkinkan aliran maklumat hanya dalam satu arah (Pemancar ke penerima). Dengan HART Communication, data dapat bergerak ke dua arah.

2. Jenis Maklumat Baru

Saluran komunikasi tradisional seperti 4-20mA membenarkan komunikasi hanya satu pemboleh ubah proses tanpa ruang untuk pengesahan, tetapi Dengan HART, anda dapat memperoleh hingga 40 maklumat tambahan bersama dengan pemboleh ubah proses.

Beberapa contoh maklumat tambahan yang dapat diperoleh dari peranti berasaskan HART termasuk;

Status Peranti & Makluman Diagnostik
Proses Pemboleh ubah & Unit
Gelung Semasa & Julat%
Parameter Konfigurasi Asas
Tag Pengilang & Peranti

Dengan menggunakan gabungan maklumat tambahan ini, peranti HART dapat melaporkan sendiri masalah dengan konfigurasi atau operasi mereka ke peranti induk / host. Ini membantu mengurangkan keperluan pemeriksaan rutin dan sangat berguna untuk penyelenggaraan ramalan.

3. Peranti Multivariabel

Dalam mod digital, sepasang wayar dapat menangani pelbagai pemboleh ubah. Sebagai contoh, satu pemancar dapat menangani input dari pelbagai sensor

4. Kemerdekaan Vendor

Segala yang berkaitan dengan HART diserahkan oleh Emerson kepada Yayasan Komunikasi HART, kerana standard tersebut terbuka dan tidak khusus untuk satu vendor. Ini bererti tidak ada bahaya untuk terperangkap dalam "standard" khusus vendor atau wilayah terhad.

5. Luas Penawaran

HART pada masa ini dianggap sebagai protokol yang paling banyak disokong untuk industri proses di seluruh dunia. Sangat popular bahawa kebarangkalian peranti industri HART Compatible hampir 1.

6. Kebolehoperasian

Peranti dan sistem host yang patuh HART dapat berfungsi bersama tanpa mengira vendor, model, dan masalah keserasian / interoperabiliti lain yang mengganggu rangkaian. Bahkan peranti hos yang tidak dirancang untuk menangani maklumat digital dari peranti HART akan tetap mempunyai tahap interoperabilitas dengan komunikasi melalui isyarat analog 4-20 mA.

WirelessHART

Protokol HART telah berkembang selama bertahun-tahun dengan kemajuan teknologi dan peningkatan kes penggunaan. Salah satu produk evolusinya baru-baru ini adalah teknologi baru yang disebut WirelessHART, yang menawarkan kemungkinan baru dengan penghantaran Maklumat HART tanpa wayar.

Ini adalah protokol komunikasi tanpa wayar standard (IEC62591) pertama dalam bidang automasi proses. Tidak seperti Protokol HART Biasa, ia, pada tahap ini, hanya menyokong komunikasi melalui isyarat digital kerana komunikasi analog tidak disediakan kerana tidak ada kabel sambungan yang digunakan.

Pada masa ini, terdapat dua Penyelesaian WirelessHART yang berbeza termasuk;

Penyesuai WirelessHART untuk meningkatkan Peranti HART yang ada
Pemancar WirelessHART berkuasa sendiri.

WirelessHART boleh digunakan pada instrumen berwayar yang ada untuk mengumpulkan sejumlah besar maklumat yang sebelumnya terdampar dalam instrumen, dan juga menyediakan cara yang efektif, mudah, dan boleh dipercayai untuk menggunakan titik pengukuran dan kawalan baru tanpa kos pendawaian.