مقدمه ای بر پروتکل ارتباطی HART هارت

ارتباط دو طرفه ماشین ها (یا تجهیزات آن ها) از نظر کارشناسان اتوماسیون و کنترل صنعتی از نمونه های بارز استفاده از پروتکل HART بود، قبل از اینکه اینترنت اشیا (IOT) به وجود بیاید. دستیابی به مقادیر موجود در یک سنسور دما در قلب میل لنگ که اندازه گیری هایی را برای کنترل رله درایو موتور و… ارسال می کند، توسط پروتکل های ارتباطی HART انجام می شد.

این پروتکل با بیش از 30 میلیون دستگاه مبتنی بر آن، که در سراسر جهان نصب شده است به عنوان محبوب ترین پروتکل در اتوماسیون صنعتی در نظر گرفته می شود. مقاله امروز نمای کلی از ویژگی های خاص آن را ارائه می دهد. ما ویژگی ها، کاربرد ها و نسخه های ارتقاء یافته آن مانند HART بی سیم را بررسی خواهیم کرد.

بررسی اجمالی پروتکل هارت

پروتکلHART یکی از محبوب ترین پروتکل های ارتباطی است که در اتوماسیون صنعتی برای ارسال و دریافت اطلاعات دیجیتالی از طریق سیم کشی آنالوگ بین دستگاه های هوشمند و سیستم های کنترل استفاده می شود. این پروتکل پیشرفت پروتکل ارتباط سریال مانند RS485 است و در صنایع نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

این پروتکل توسط امرسون در دهه 1980 به عنوان یک پروتکل ارتباطی اختصاصی برای رسیدگی به نقص های موجود در پروتکل ارتباطی 20-4 میلی آمپر، که فقط می تواند یک پارامتر یا مقدار اندازه گیری شده را انتقال دهد، توسعه داده شد. با پروتکل HART، تلاش های اتوماسیون صنعتی می تواند به ارتباطات دو طرفه دست یابد که نقص های 20-4 میلی آمپر را برطرف کرده اما همچنین زیرساخت خود را حفظ می کند. زیرا پروتکل HART می تواند سیگنال های دیجیتال را با تطبیق آن بر روی سیگنال های آنالوگ بدون اغتشاش یا تداخل ارسال کند.

تأثیر موارد بالا ایجاد دو کانال ارتباطی همزمان است: سیگنال آنالوگ 20-4 میلی آمپر و یک سیگنال دیجیتال. دلیل این ترکیب به این خاطر است که از این پروتکل به عنوان پروتکل ترکیبی یاد می شود. کاربرد های معمول مانند دستگاه های ابزار دقیق می توانند از سیگنال 20-4 میلی آمپر برای ارسال مقدار اولیه اندازه گیری شده و از سیگنال دیجیتالی برای ارسال اطلاعات استفاده کنند.

پشتیبانی از دستگاه های مبتنی بر 20-4 میلی آمپر به این معنی است که شرکت ها می توانند با استفاده از سخت افزار قدیمی خود به کار ادامه دهند. این امر، همراه با گسترده تر شدن این پروتکل، سطوح اتخاذ پروتکل را بالا برد، تا زمانی که به استانداردی در صنعت تبدیل شد.

عملکرد پروتکل ارتباطی HART

ارتباط بین دو دستگاه مجهز به HART رخ می دهد. معمولاً این ارتباط بین یک دستگاه هوشمند و یک سیستم کنترل یا مدیریت است. همانطور که قبلاً توضیح داده شد، دستگاه های مبتنی بر پروتکل با استفاده از رویکرد 4-20mA موجود، سیگنال های دیجیتالی را با منطبق کردن سیگنال (به عنوان سیگنال جریان متناوب) بر روی سیگنال آنالوگ 20-4 میلی آمپر با استفاده از کلید تغییر فرکانس ارسال می کنند ( FSK).

روش FSK شامل منطبق کردن موج سینوسی دو فرکانس، معمولاً 1200 هرتز و 2200 هرتز است، که نشان دهنده بیت ها (به ترتیب 1 و 0) از داده های ارسالی است. استفاده از FSK تضمین می کند که مقدار متوسط دو فرکانس همیشه صفر است، اطمینان حاصل کنید که سیگنال آنالوگ تحت تأثیر سیگنال دیجیتال نیست.

حالت های پیکربندی شبکه

برای برآورده کردن نیاز های کاربرد های مختلف، دستگاه های تحت پروتکل HART می توانند برای عملکرد در دو حالت اصلی پیکربندی شوند:

1. حالت نقطه به نقطه
2. حالت چند قطره ای

حالت نقطه به نقطه

در حالت نقطه به نقطه سیگنال های دیجیتال روی جریان حلقه 20-4 میلی آمپر قرار می گیرند به گونه ای که هم از جریان 20-4 میلی آمپر و هم از سیگنال دیجیتال می توان در انتقال پیام بین master و slave استفاده کرد. این نشان دهنده کاربرد متداول پروتکل، با متغیر ها و داده های ثانویه می باشد، که می تواند برای نظارت، نگهداری و اهداف تشخیصی مورد استفاده قرار گیرد و از طریق سیگنال های دیجیتال رد و بدل می شوند. در حالی که سیگنال های کنترلی از طریق نیمه آنالوگ پروتکل ارسال می شوند. تصویری از پیکربندی نقطه به نقطه در تصویر زیر ارائه شده است.

حالت شبکه چند قطره ای

حالت پیکربندی شبکه چند قطره ای این امکان را به چندین دستگاه می دهد که بر روی یک جفت سیم به روش مشابه پروتکل های مبتنی بر آدرس مانند i2c متصل شوند. ارتباط در حالت چند قطره ای کاملاً دیجیتال است زیرا ارتباط از طریق جریان حلقه آنالوگ غیرفعال است و جریان از طریق هر یک از دستگاه ها در حداقل مقداری که فقط برای عملکرد دستگاه کافی است (معمولاً 4 میلی آمپر) ثابت می شود. از پیکربندی های شبکه چند قطره ای معمولاً در کاربرد های کنترل نظارتی مانند مزارع دارای مخزن و خطوط لوله که با فاصله زیاد قرار دارند، استفاده می شود. پیکربندی شبکه چند قطره ای در تصویر زیر نشان داده شده است.

حالت های ارتباطی

به طور کلی، برای ارتباطات تحت پروتکل HART، یک دستگاه در شبکه که معمولاً یک سیستم کنترل توزیع یا PLC است، به عنوان master تعیین می شود و بقیه دستگاه ها مانند سنسور ها یا محرک ها، به عنوان slave تعیین می شوند.

با این حال، نحوه ارتباط slaves با master به حالت ارتباطی که شبکه پیکربندی شده است بستگی دارد. می توان شبکه ای از دستگاه های سازگار با پروتکل HART را برای برقراری ارتباط در دو حالت تنظیم کرد:

1. حالت ارتباطی درخواست و پاسخ
2. حالت پشت سر هم

حالت ارتباطی درخواست و پاسخ

در حالت ارتباطی درخواست و پاسخ، دستگاه های slave فقط هنگامی که درخواستی از طرف دستگاه اصلی (master) صادر شود، اطلاعات را انتقال می دهند. در حالی که این حالت معایبی به ویژه کاهش سرعت ارتباطات دارد (2-3 به روزرسانی داده در هر ثانیه)، به ساده و موثر نگه داشتن پروتکل کمک می کند.

حالت پشت سرهم

حالت ارتباطی دیگری که‌ برای این پروتکل وجود دارد، حالت “پشت سرهم” است. در این حالت، دستگاه های slave می توانند بدون نیاز به درخواست های مكرر از master، به طور مداوم و بدون هیچگونه درخواستی، یک بخش از اطلاعات را ارسال كنند. این حالت با حداکثر 3-4 بار به روزرسانی در ثانیه سرعت ارتباطی سریع تری را ارائه می دهد و معمولاً در زمانی که بیش از یک دستگاه HART برای ارتباطات از طریق حلقه HART مورد نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرد.

برای امکان نظارت خارجی که برای اکثر کاربرد های صنعتی مطلوب است، هر دو حالت ارتباطی از حداکثر دو master پشتیبانی می کنند که به عنوان master اولیه و ثانویه تعریف می شوند. Master اولیه، همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، معمولاً سیستم اصلی کنترل و نظارت است در حالی که master ثانویه معمولاً دستگاهی مانند ترمینال های دستی a.k.a ارتباطات HART است که فقط برای مدت کوتاهی به حلقه HART متصل می شود.

مزایا

برخی از مزایای پروتکل HART عبارتند از:

1. ارتباط دو طرفه

به عنوان مثال، استفاده از سیگنال آنالوگ 20-4 میلی آمپر امکان  ارسال اطلاعات را فقط در یک جهت فراهم می کند (فرستنده به گیرنده). با ارتباطات HART، داده ها می توانند در هر دو جهت حرکت کنند.

2. انواع جدید اطلاعات

کانال های ارتباطی سنتی مانند 20-4 میلی آمپر امکان برقراری ارتباط تنها با یک متغیر فرایند را فراهم می کنند که هیچ جایی برای تأیید ندارد، اما با HART شما می توانید تا 40 اطلاعات اضافی به همراه متغیر فرآیند بدست آورید.

برخی از نمونه های اطلاعات اضافی که می توان از دستگاه های مبتنی بر HART جمع آوری کرد شامل موارد زیر است:

1. وضعیت دستگاه و هشدار های تشخیصی
2. متغیر ها و واحد های پردازش
3. جریان حلقه و پارامتر های پیکربندی
4. برچسب دستگاه و سازنده

با استفاده از ترکیبی از این اطلاعات اضافی، دستگاه های HART می توانند مشکلات مربوط به پیکربندی یا عملکرد خود را به دستگاه master یا میزبان گزارش دهند. این امر کمک می‌ کند که نیاز به معاینه های معمول کاهش یابد و می تواند برای پیشگیری از تعمیرات بسیار مفید باشد.

3. دستگاه های چند متغیره

در حالت دیجیتال، یک جفت سیم می تواند متغیر های مختلفی را کنترل کند. به عنوان مثال، یک فرستنده می تواند ورودی های چندین حسگر را کنترل کند.

4. استقلال فروشنده

همه چیز مربوط به HART توسط امرسون به بنیاد ارتباطات HART تحویل داده شد، زیرا این استاندارد ها باز است و مختص یک فروشنده نیست. این به این معنی است که هیچ مشکلی برای محدود شدن به “استاندارد های” خاص فروشنده یا منطقه ای وجود ندارد.

5. وسعت عرضه

در حال حاضر HART به عنوان پروتكل گسترده مورد حمایت در صنعت فرآیند در نظر گرفته شده است. این محبوبیت به قدری زیاد است که احتمال سازگاری یک دستگاه صنعتی با HART تقریباً 1 است.

6. قابلیت همکاری

دستگاه های سازگار با HART و سیستم های میزبان می توانند بدون توجه به فروشنده، مدل ها و سایر مشکلات سازگاری یا قابلیت همکاری که شبکه ها را آزار می دهند، با هم کار کنند. حتی دستگاه های میزبانی که برای مدیریت اطلاعات دیجیتالی دستگاه HART طراحی نشده اند، باز هم تا حدی قادر به همکاری با ارتباطات از طریق سیگنال آنالوگ 20-4 میلی آمپر خواهند بود.

HART بی سیم

پروتکل HART در طول سال ها با پیشرفت تکنولوژی تکامل یافته است. یکی از محصولات اخیر تکامل یافته، تکنولوژی جدیدی به نام WirelessHART است که با انتقال بی سیم اطلاعات HART، امکانات کاملاً جدیدی را ارائه می دهد.

این اولین پروتکل ارتباطی بی سیم استاندارد (IEC62591) در زمینه اتوماسیون فرآیند است. برخلاف پروتکل معمولی HART، در این حالت، این پروتکل فقط از طریق سیگنال دیجیتال از ارتباطات پشتیبانی می کند و ارتباط آنالوگ ارائه نمی شود زیرا از کابل اتصال استفاده نشده است.

در حال حاضر، دو راه استفاده مختلف از WirelessHART وجود دارد از جمله:

1. یک آداپتور بی سیم HART برای افزایش دستگاه های موجود HART.
2. یک فرستنده بی سیم HART خودکار.

HART بی سیم می تواند در ابزار های سیمی موجود برای جمع آوری اطلاعات گسترده ای که قبلاً در دستگاه گیر کرده بودند استفاده شود و همچنین روشی مقرون به صرفه، ساده و قابل اعتماد برای گسترش نقاط جدید اندازه گیری شده و کنترل، بدون هزینه سیم کشی را فراهم می کند.