Uvod v komunikacijski protokol oddaljenega pretvornika, naslovljiv na avtocesto

Prednosti pridobivanja dveh strojev (ali komponent v njih) za pogovor med seboj so bile očitne strokovnjakom za industrijsko avtomatizacijo in nadzor, še preden je Internet stvari (IoT) postal mainstream. Vrednosti v temperaturnem senzorju v središču ročične gredi, ki pošilja meritve za krmiljenje releja motornega pogona itd., So bile jasne in eden od komunikacijskih protokolov, uporabljenih pri doseganju tega, je bil protokol HART.

Z več kot 30 milijoni naprav, ki temeljijo na njem, nameščenih po vsem svetu, velja protokol HART za najbolj priljubljen protokol v industrijski avtomatizaciji, današnji članek pa bo pregledal, kaj ga naredi tako posebnega. Preučili bomo njegove funkcije, aplikacije in nadgrajene različice, kot je WirelessHART.

Pregled

Highway Addressable Remote Transducer (HART) Protocol je eden izmed najbolj priljubljenih protokolov odprte komunikacije, ki se uporablja v industrijski avtomatizaciji za pošiljanje in sprejemanje digitalnih informacij prek analognega ožičenja med pametnimi napravami in nadzornimi sistemi. Ta protokol je napredek protokola za serijsko komunikacijo, kot je RS485, in dogodek, ki se prav tako pogosto uporablja v industriji.

Emerson ga je v osemdesetih letih razvil kot lastniški komunikacijski protokol za odpravljanje napak v obstoječem komunikacijskem protokolu 4-20mA, ki je lahko prenašal le en parameter ali izmerjeno vrednost. S HART-om bi lahko prizadevanja za industrijsko avtomatizacijo dosegla dvosmerne komunikacije, ki so odpravile pomanjkljivosti 4-20mA, obenem pa ohranila svojo infrastrukturo, saj lahko protokol HART pošilja digitalne signale tako, da jih nalaga na analogne signale brez izkrivljanja ali motenj.

Učinek zgoraj navedenega je ustvarjanje dveh hkratnih komunikacijskih kanalov: analogni signal 4-20mA in digitalni signal. Zaradi te kombinacije se protokol imenuje hibridni protokol. Tipične aplikacije, kot so instrumentacijske naprave, lahko za pošiljanje primarne izmerjene vrednosti uporabljajo signal 4–20 mA, za pošiljanje informacij pa uporabljajo naloženi digitalni signal.

Podpora za naprave, ki temeljijo na 4–20 mA, je pomenila, da lahko podjetja še naprej uporabljajo svojo zapuščeno strojno opremo. To je skupaj s protokolom, ki je postal "odprt", povzročil visoko raven sprejetja protokola, dokler ni postal dejanski standard v industriji

Delovanje komunikacijskega protokola HART

Komunikacija HART poteka med dvema napravama, ki podpirata HART, običajno pametno terensko napravo in nadzornim ali nadzornim sistemom. Kot je bilo že opisano, naprave, ki temeljijo na protokolu, oddajajo analogni signal z uporabo obstoječega pristopa 4-20mA in digitalne signale z nadomeščanjem signala (kot signal izmeničnega toka) na analogni signal 4-20mA z uporabo Bell 202 Frequency Shift Keying FSK) standard.

Postopek FSK vključuje nalaganje sinusnih valov dveh frekvenc, običajno 1200Hz in 2200Hz, ki predstavljata bit (1 oziroma 0) podatkov, ki se pošiljajo. Uporaba FSK zagotavlja, da je povprečna vrednost obeh frekvenc vedno enaka nič, kar zagotavlja, da digitalni signal ne vpliva na analogni signal.

Načini omrežne konfiguracije

Za potrebe različnih aplikacij lahko naprave po protokolu HART nastavite na dva glavna načina;

Način od točke do točke
Način z več padci

1. Omrežni način od točke do točke

V načinu od točke do točke se digitalni signali prekrivajo na toko zanke 4–20 mA tako, da se lahko tok 4–20 mA in digitalni signal uporabita za prenos sporočil med glavno in pomožno enoto. To predstavlja tipično uporabo protokola s sekundarnimi spremenljivkami in podatki, ki se lahko uporabljajo za spremljanje, vzdrževanje in diagnostične namene in se izmenjujejo po digitalnih signalih, medtem ko se krmilni signali pošiljajo po analogni polovici protokola. Prikaz konfiguracije omrežja Point-to-Point je na spodnji sliki.

2. Omrežni način z več kapljicami

Način konfiguracije omrežja Multi-Drop omogoča povezavo več naprav na isti par žic na način, podoben protokolom na podlagi naslovov, kot je i2c. Komunikacija v načinu z več padci je popolnoma digitalna, saj je komunikacija prek toka analogne zanke onemogočena, saj je tok skozi vsako od naprav določen na najmanjši vrednosti, ravno zadostni za delovanje naprave (običajno 4 mA). Konfiguracije omrežij z več kapljicami se običajno uporabljajo v aplikacijah nadzornega nadzora, ki so široko razporejene, tako kot v rezervoarjih in cevovodih. Konfiguracija omrežja Multi-Drop je prikazano na spodnji sliki.

Načini komunikacije

Na splošno je za komunikacijo po protokolu HART ena naprava v omrežju, običajno porazdeljeni nadzorni sistem ali PLC, določena kot glavna, medtem ko so druge, običajno terenske naprave, kot so senzorji ali aktuatorji, označene kot pomožne enote.

Vendar je način, kako pomožni komunicirajo s poveljnikom, odvisen od načina komunikacije, na katerega je konfigurirano omrežje. Omrežje naprav, združljivih s protokolom HART, je mogoče nastaviti za komunikacijo na dva načina, in sicer;

Način komunikacije zahteva-odziv
Rafalni način

1. Način komunikacije zahteva-odgovor

V načinu komunikacije zahteva-odziv podrejene naprave posredujejo informacije samo, če glavna naprava izda zahtevo. Medtem ko ima ta način svoje slabosti, zlasti zmanjšana hitrost komunikacije (2-3 posodobitve podatkov na sekundo), pomaga, da je protokol enostaven, učinkovit in enostaven za izvedbo.

2. Rafalni način

Protokol ima še en način komunikacije, imenovan način »Burst«, da se lahko spremenijo zahteve aplikacij. V tem načinu lahko podrejene naprave neprekinjeno pošiljajo en sam podatek, ne da bi morali ponavljati zahteve glavne enote. Ta način ponuja hitrejšo komunikacijsko hitrost z do 3-4 posodobitvami na sekundo in se običajno uporablja v scenarijih, ko je za poslušanje komunikacije iz zanke HART potrebnih več naprav HART.

Da bi omogočili zunanji nadzor, zaželen za večino industrijskih aplikacij, oba načina komunikacije podpirata do dva glavna, ki sta definirana kot primarni in sekundarni. Primarni mojster, kot je prikazano na zgornji sliki, je običajno glavni nadzorni / nadzorni sistem, medtem ko je sekundarni mojster običajno naprava, kot so ročni terminali, imenovani HART Communicator, ki je na zanko HART priključen le za kratek čas.

Prednosti

Nekatere prednosti protokola HART pred drugimi v svojem razredu vključujejo;

1. Dvosmerna komunikacija

Uporaba analognega signala 4-20mA na primer omogoča pretok informacij v samo eno smer (oddajnik do sprejemnika). S komunikacijo HART lahko podatki potujejo v obe smeri.

2. Nove vrste informacij

Tradicionalni komunikacijski kanali, kot je 4-20mA, omogočajo komunikacijo samo ene spremenljivke procesa brez prostora za validacijo, s HART pa lahko skupaj s spremenljivko procesa dobite do 40 dodatnih informacij.

Nekateri primeri dodatnih informacij, ki jih je mogoče pridobiti iz naprav, ki temeljijo na HART, vključujejo;

Stanje naprave in diagnostična opozorila
Obdelava spremenljivk in enot
Loop Current &% doseg
Osnovni konfiguracijski parametri
Oznaka proizvajalca in naprave

Naprave HART lahko s kombinacijo teh dodatnih informacij samostojno poročajo o težavah s svojo konfiguracijo ali delovanjem na glavno / gostiteljsko napravo. To pomaga zmanjšati potrebo po rutinskih pregledih in bi lahko bilo zelo koristno za napovedno vzdrževanje.

3. Naprave z več spremenljivkami

V digitalnem načinu lahko en par žic obdeluje več spremenljivk. Na primer, en oddajnik lahko obdeluje vhode več senzorjev

4. Neodvisnost prodajalca

Vse, kar je povezano s HART-om, je Emerson predal fundaciji HART Communications Foundation, saj so takšni standardi odprti in niso značilni samo za enega prodajalca. To pomeni, da ni nevarnosti, da bi se zaklenili v omejene prodajne ali regionalne "standarde".

5. Širina ponudbe

HART trenutno velja za najbolj razširjen protokol za procesno industrijo. Tako priljubljena je, da je verjetnost, da je industrijska naprava združljiva s HART, skoraj 1.

6. Interoperabilnost

Naprave in gostiteljski sistemi, združljivi s HART, lahko delujejo skupaj ne glede na prodajalca, modele in druge težave z združljivostjo / interoperabilnostjo, ki pestijo omrežja. Tudi gostiteljske naprave, ki niso bile zasnovane za obdelavo digitalnih informacij iz naprave HART, bodo še vedno imele določeno stopnjo interoperabilnosti s komunikacijo prek analognega signala 4-20 mA.

WirelessHART

Protokol HART se je skozi leta razvijal z napredkom v tehnologiji in večjo prefinjenostjo primerov uporabe. Eden najnovejših izdelkov njegovega razvoja je nova tehnologija, imenovana WirelessHART, ki ponuja popolnoma nove možnosti z brezžičnim prenosom informacij HART.

To je prvi standardizirani (IEC62591) protokol za brezžično komunikacijo na področju avtomatizacije procesov. V nasprotju z običajnim protokolom HART na tej stopnji podpira le komunikacijo prek digitalnega signala, saj analogna komunikacija ni zagotovljena, ker ni uporabljen noben povezovalni kabel.

Trenutno obstajata dve različni rešitvi WirelessHART, vključno z;

Adapter WirelessHART za izboljšanje obstoječih naprav HART
Brezžični oddajnik WirelessHART z lastnim napajanjem.

WirelessHART se lahko uporablja na obstoječih žičnih instrumentih za zbiranje ogromne količine informacij, ki so bile prej nasedle v instrumentu, poleg tega pa ponuja stroškovno učinkovit, preprost in zanesljiv način za uvajanje novih merilnih in kontrolnih točk brez stroškov ožičenja.