Εισαγωγή στο πρωτόκολλο επικοινωνίας απομακρυσμένου μετατροπέα που απευθύνεται σε αυτοκινητόδρομο

Τα οφέλη από την απόκτηση δύο μηχανών (ή εξαρτημάτων μέσα σε αυτά), για να μιλήσουν μεταξύ τους ήταν προφανές για τους εμπειρογνώμονες της βιομηχανίας αυτοματισμού και ελέγχου, πολύ πριν το Internet of Things (IoT) γίνει mainstream Οι τιμές σε έναν αισθητήρα θερμοκρασίας στην καρδιά ενός μετρητή αποστολής στροφαλοφόρου για τον έλεγχο του ρελέ κινητήρα κ.λπ. ήταν σαφείς και ένα από τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξη αυτού ήταν το Πρωτόκολλο HART.

Με πάνω από 30 εκατομμύρια συσκευές που βασίζονται σε αυτό, εγκατεστημένο σε όλο τον κόσμο, το Πρωτόκολλο HART θεωρείται ως το πιο δημοφιλές πρωτόκολλο στη βιομηχανική αυτοματοποίηση και το σημερινό άρθρο θα παρέχει μια επισκόπηση για το τι το καθιστά τόσο ξεχωριστό. Θα εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά, τις εφαρμογές και τις αναβαθμισμένες εκδόσεις του, όπως το WirelessHART.

ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ

Το Πρωτόκολλο Highway Addressable Remote Transducer (HART) είναι ένα από τα πιο δημοφιλή πρωτόκολλα ανοικτής επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανική αυτοματοποίηση για την αποστολή και λήψη ψηφιακών πληροφοριών μέσω αναλογικής καλωδίωσης μεταξύ έξυπνων συσκευών και συστημάτων ελέγχου. Αυτό το πρωτόκολλο είναι μια πρόοδος του Πρωτοκόλλου Σειριακής Επικοινωνίας όπως το RS485 και ένα συμβάν στο οποίο χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στις βιομηχανίες.

Αναπτύχθηκε από τον Emerson στη δεκαετία του 1980 ως ιδιόκτητο πρωτόκολλο επικοινωνίας για την αντιμετώπιση των ελαττωμάτων στο υπάρχον πρωτόκολλο επικοινωνίας 4-20mA, το οποίο μπορούσε να μεταδώσει μόνο μία παράμετρο ή μετρούμενη τιμή. Με το HART, οι προσπάθειες βιομηχανικού αυτοματισμού θα μπορούσαν να επιτύχουν αμφίδρομες επικοινωνίες που διόρθωσαν τα μειονεκτήματα του 4-20mA, αλλά και να διατηρήσουν την υποδομή του, καθώς το πρωτόκολλο HART μπορεί να στείλει ψηφιακά σήματα υπερθέτοντάς τα στα αναλογικά σήματα χωρίς παραμόρφωση ή παρεμβολή.

Το αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η δημιουργία δύο ταυτόχρονων καναλιών επικοινωνίας: το αναλογικό σήμα 4-20mA και ένα ψηφιακό σήμα. Αυτός ο συνδυασμός είναι ο λόγος για τον οποίο το πρωτόκολλο αναφέρεται ως υβριδικό πρωτόκολλο. Τυπικές εφαρμογές όπως συσκευές οργάνων θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το σήμα 4-20mA για να στείλουν την κύρια μετρημένη τιμή και να χρησιμοποιήσουν το υπέρθετο ψηφιακό σήμα για την αποστολή πληροφοριών.

Η υποστήριξη για συσκευές που βασίζονται σε 4-20mA σήμαινε ότι οι εταιρείες θα μπορούσαν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν το παλιό τους υλικό. Αυτό, μαζί με το πρωτόκολλο που έγινε «Ανοιχτό», οδήγησε τα επίπεδα υιοθέτησης του πρωτοκόλλου υψηλά, έως ότου έγινε το de-facto πρότυπο στον κλάδο

Εργασία του πρωτοκόλλου επικοινωνίας HART

Η επικοινωνία HART πραγματοποιείται μεταξύ δύο συσκευών με δυνατότητα HART, συνήθως μιας συσκευής έξυπνου πεδίου και ενός συστήματος ελέγχου ή παρακολούθησης. Όπως περιγράφηκε προηγουμένως, οι συσκευές που βασίζονται στο πρωτόκολλο μεταδίδουν αναλογικό σήμα χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα προσέγγιση 4-20mA και ψηφιακά σήματα υπερθέτοντας το σήμα (ως σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος) στο αναλογικό σήμα 4-20mA, χρησιμοποιώντας το πλήκτρο μετατόπισης συχνότητας Bell 202 (Πρότυπο FSK).

Η διαδικασία FSK περιλαμβάνει την υπέρθεση των κυμάτων δύο συχνοτήτων, συνήθως 1200Hz και 2200Hz, τα οποία αντιπροσωπεύουν τα bits (1 και 0 αντίστοιχα) των δεδομένων που αποστέλλονται. Η χρήση του FSK διασφαλίζει ότι η μέση τιμή των δύο συχνοτήτων είναι πάντα μηδέν, διασφαλίζοντας ότι το αναλογικό σήμα δεν επηρεάζεται από το ψηφιακό σήμα.

Λειτουργίες διαμόρφωσης δικτύου

Για την κάλυψη των αναγκών διαφόρων εφαρμογών, οι συσκευές βάσει του πρωτοκόλλου HART μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να λειτουργούν σε δύο κύριους τρόπους.

Λειτουργία Point-to-Point
Λειτουργία πολλαπλής πτώσης

1. Λειτουργία δικτύου από σημείο σε σημείο

Σε λειτουργία από σημείο σε σημείο τα ψηφιακά σήματα επικαλύπτονται στο ρεύμα βρόχου 4–20 mA με τέτοιο τρόπο ώστε τόσο το ρεύμα 4–20 mA όσο και το ψηφιακό σήμα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά μηνυμάτων μεταξύ του κύριου και του σκλάβου. Αυτό αντιπροσωπεύει την τυπική εφαρμογή του πρωτοκόλλου, με δευτερεύουσες μεταβλητές και δεδομένα, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σκοπούς παρακολούθησης, συντήρησης και διάγνωσης, που ανταλλάσσονται μέσω ψηφιακών σημάτων ενώ τα σήματα ελέγχου αποστέλλονται μέσω του αναλογικού μισού του πρωτοκόλλου. Μια εικόνα της διαμόρφωσης δικτύου Point-to-Point παρέχεται στην παρακάτω εικόνα.

2. Λειτουργία δικτύου πολλαπλών σταγόνων

Η λειτουργία διαμόρφωσης δικτύου Multi-Drop επιτρέπει σε πολλές συσκευές να συνδέονται στο ίδιο ζεύγος καλωδίων με τρόπο παρόμοιο με τα πρωτόκολλα που βασίζονται στη διεύθυνση, όπως το i2c. Η επικοινωνία σε λειτουργία πολλαπλής πτώσης είναι εντελώς ψηφιακή καθώς η επικοινωνία μέσω του ρεύματος αναλογικού βρόχου είναι απενεργοποιημένη, δεδομένου ότι το ρεύμα μέσω κάθε συσκευής είναι σταθερό σε μια ελάχιστη τιμή που αρκεί για τη λειτουργία της συσκευής (συνήθως 4mA). Οι διαμορφώσεις δικτύου πολλαπλών σταγόνων χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές ελέγχου εποπτείας που έχουν ευρεία απόσταση όπως σε εκμεταλλεύσεις δεξαμενών και αγωγούς. Η διαμόρφωση δικτύου Multi-Drop απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα.

Τρόποι επικοινωνίας

Γενικά, για επικοινωνίες βάσει του πρωτοκόλλου HART, απαιτείται μία συσκευή στο δίκτυο, συνήθως ένα κατανεμημένο σύστημα ελέγχου ή PLC, ως κύρια, ενώ άλλες (οι), συνήθως συσκευές πεδίου, όπως αισθητήρες ή ενεργοποιητές, χαρακτηρίζονται ως σκλάβοι.

Ωστόσο, ο τρόπος με τον οποίο οι σκλάβοι επικοινωνούν με τον κύριο εξαρτάται από τον τρόπο επικοινωνίας στον οποίο διαμορφώνεται το δίκτυο. Ένα δίκτυο συσκευών συμβατών με πρωτόκολλο HART μπορεί να δημιουργηθεί για επικοινωνία με δύο τρόπους, δηλαδή

Λειτουργία επικοινωνίας αιτήματος-απόκρισης
Λειτουργία ριπής

1. Λειτουργία επικοινωνίας αιτήματος-απόκρισης

Στη λειτουργία επικοινωνίας αιτήματος-απόκρισης, οι εξαρτημένες συσκευές μεταδίδουν πληροφορίες μόνο όταν ένα αίτημα εκδίδεται από την κύρια συσκευή. Ενώ αυτή η λειτουργία έχει τα μειονεκτήματά της, ιδιαίτερα τη μειωμένη ταχύτητα επικοινωνίας (2-3 ενημερώσεις δεδομένων ανά δευτερόλεπτο), βοηθά στη διατήρηση του πρωτοκόλλου απλού και αποτελεσματικού, εύκολο στην εφαρμογή.

2. Λειτουργία ριπής

Για να υπάρξει χώρος για παραλλαγές στις απαιτήσεις εφαρμογής, το πρωτόκολλο έχει έναν άλλο τρόπο επικοινωνίας που ονομάζεται "Burst" Mode. Σε αυτήν τη λειτουργία, οι εξαρτημένες συσκευές μπορούν να στέλνουν ένα κομμάτι πληροφοριών, συνεχώς, χωρίς την ανάγκη επανειλημμένων αιτημάτων από τον κύριο. Αυτή η λειτουργία προσφέρει μια ταχύτερη ταχύτητα επικοινωνίας με έως και 3-4 ενημερώσεις ανά δευτερόλεπτο και συνήθως χρησιμοποιείται σε σενάρια όπου απαιτούνται περισσότερες από μία συσκευές HART για να ακούσετε την επικοινωνία από το βρόχο HART.

Για να επιτρέπεται η εξωτερική παρακολούθηση, η οποία είναι επιθυμητή για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, και οι δύο τρόποι επικοινωνίας υποστηρίζουν έως και δύο κύριους κύριους και δευτερεύοντες. Ο κύριος κύριος, όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, είναι συνήθως το κύριο σύστημα ελέγχου / παρακολούθησης, ενώ ο δευτερεύων κύριος είναι συνήθως μια συσκευή όπως τερματικά χειρός γνωστή ως HART Communicator, η οποία συνδέεται μόνο με το βρόχο HART για μικρό χρονικό διάστημα.

Οφέλη

Μερικά από τα πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου HART έναντι άλλων στην κατηγορία του περιλαμβάνουν:

1. Αμφίδρομη επικοινωνία

Η χρήση αναλογικού σήματος 4-20mA, για παράδειγμα, επιτρέπει τη ροή πληροφοριών σε μία μόνο κατεύθυνση (πομπός στο δέκτη). Με την επικοινωνία HART, τα δεδομένα μπορούν να ταξιδέψουν και προς τις δύο κατευθύνσεις.

2. Νέοι τύποι πληροφοριών

Τα παραδοσιακά κανάλια επικοινωνίας όπως το 4-20mA επιτρέπουν την επικοινωνία μιας μόνο μεταβλητής διαδικασίας χωρίς περιθώριο επικύρωσης, αλλά με το HART, μπορείτε να λάβετε έως και 40 επιπλέον πληροφορίες μαζί με τη μεταβλητή διαδικασίας.

Μερικά παραδείγματα πρόσθετων πληροφοριών που θα μπορούσαν να συλλεχθούν από συσκευές που βασίζονται στο HART περιλαμβάνουν:

Κατάσταση συσκευής & Διαγνωστικές ειδοποιήσεις
Διαδικασίες μεταβλητών και μονάδων
Ρεύμα βρόχου &% εύρος
Βασικές παράμετροι διαμόρφωσης
Ετικέτα κατασκευαστή και συσκευής

Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό αυτών των επιπλέον πληροφοριών, οι συσκευές HART μπορούν να αναφέρουν αυτόματα προβλήματα με τη διαμόρφωση ή τις λειτουργίες τους στην κύρια / κεντρική συσκευή. Αυτό συμβάλλει στη μείωση της ανάγκης για τακτικούς ελέγχους και θα μπορούσε να είναι πολύ χρήσιμος για προληπτική συντήρηση.

3. Πολυμεταβλητές συσκευές

Στην ψηφιακή λειτουργία, ένα μόνο ζεύγος καλωδίων μπορεί να χειριστεί πολλές μεταβλητές. Για παράδειγμα, ένας πομπός μπορεί να χειριστεί εισόδους από πολλούς αισθητήρες

4. Ανεξαρτησία πωλητή

Όλα όσα σχετίζονται με το HART παραδόθηκαν από τον Emerson στο Ίδρυμα Επικοινωνιών HART, καθώς τα πρότυπα είναι ανοιχτά και δεν αφορούν συγκεκριμένα έναν πωλητή. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει κίνδυνος να κλειδωθείτε σε περιορισμένα "περιφερειακά" πρότυπα για συγκεκριμένους προμηθευτές.

5. Εύρος της προσφοράς

Το HART θεωρείται σήμερα ως το πιο ευρέως υποστηριζόμενο πρωτόκολλο για τη βιομηχανία διεργασιών. Είναι τόσο δημοφιλές που η πιθανότητα μιας βιομηχανικής συσκευής να είναι συμβατή με το HART είναι σχεδόν 1.

6. Διαλειτουργικότητα

Οι συσκευές και τα συστήματα κεντρικού υπολογιστή που είναι συμβατά με HART μπορούν να συνεργαστούν ανεξάρτητα από τον προμηθευτή, τα μοντέλα και άλλα ζητήματα συμβατότητας / διαλειτουργικότητας που μαστίζουν τα δίκτυα. Ακόμη και οι κεντρικές συσκευές που δεν έχουν σχεδιαστεί για να χειρίζονται τις ψηφιακές πληροφορίες από μια συσκευή HART θα εξακολουθούν να έχουν κάποιο επίπεδο διαλειτουργικότητας με επικοινωνίες μέσω του αναλογικού σήματος 4-20 mA.

WirelessHART

Το πρωτόκολλο HART εξελίχθηκε με την πάροδο των ετών με τις εξελίξεις στην τεχνολογία και την αυξημένη πολυπλοκότητα των περιπτώσεων χρήσης. Ένα από τα πρόσφατα προϊόντα της εξέλιξής του είναι μια νέα τεχνολογία που ονομάζεται WirelessHART, η οποία προσφέρει εντελώς νέες δυνατότητες με ασύρματη μετάδοση πληροφοριών HART.

Είναι το πρώτο τυποποιημένο πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας (IEC62591) στον τομέα του αυτοματισμού της διαδικασίας. Σε αντίθεση με το Πρωτόκολλο Regular HART, σε αυτό το στάδιο, υποστηρίζει μόνο επικοινωνία μέσω του ψηφιακού σήματος, καθώς η αναλογική επικοινωνία δεν παρέχεται αφού δεν χρησιμοποιείται καλώδιο σύνδεσης.

Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο διαφορετικές λύσεις WirelessHART, συμπεριλαμβανομένων:

Προσαρμογέας WirelessHART για βελτίωση των υπαρχουσών συσκευών HART
Ένας αυτόματος πομπός WirelessHART.

Το WirelessHART μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υπάρχοντα ενσύρματα όργανα για τη συλλογή του τεράστιου όγκου πληροφοριών που είχαν προηγουμένως εγκλωβιστεί στο όργανο και παρέχει επίσης έναν οικονομικά αποδοτικό, απλό και αξιόπιστο τρόπο ανάπτυξης νέων σημείων μέτρησης και ελέγχου χωρίς το κόστος καλωδίωσης.