HART-protokoll: arkitektur, arbete och dess tillämpningar

För närvarande i industriell automation , olika typer av smarta fältenheter används men att övervaka varje enhet är mycket svårt inom branschen av myndigheter eller fältingenjörer. Så generellt sett uppnås denna typ av övervakning med smarta enheter, som tillåter dataöverföring mellan olika anslutna enheter inom och utanför branschen till det stora övervakningssystemet. Så HART-protokollet introducerades 1980 och bygger på Bell 202-standarderna. Detta protokoll har blivit en industristandard och används därför inom industriell automation. Så, den här artikeln diskuterar en översikt över HART-protokoll – arbeta med applikationer.

Vad är HART-protokollet?

Termen HART i HART-protokollet står för 'Highway Addressable Remote Transducer' som är ett öppet standardprotokoll som används över hela världen för att överföra och ta emot digital data med analog ledning mellan smarta enheter och kontrollsystem . Detta protokoll är mycket populärt, så över 30 miljoner enheter över hela världen drivs med HART-protokollet. Detta protokoll används för att etablera kommunikation mellan värdsystem såväl som smarta fältenheter i industrier.

HART-protokollet blev mer populärt på grund av dess förmåga att stödja det äldre 4-20 mA-baserade analoga protokollet, samtidigt som det inkluderar de stora fördelarna med digital smart instrumentering.
Detta protokoll beskriver fysisk anslutningsteknik och även kommandon som används av olika applikationer. Hart-kommandon är tre typer av Universal, Common Practice och Device Specific.
Kommandon av universell typ implementeras genom alla HART-enheter. Dessa kommandon används huvudsakligen av en styrenhet för att identifiera en fältenhet samt läsa processdata.

Kommandon av typen Common Practice används för att beskriva olika funktioner som normalt endast är tillämpliga på fältenheter. Dessa enheter inkluderar kommandon för att ändra räckvidd, välja tekniska enheter och utföra självtester.

Enhetsspecifika typkommandon är inte desamma för alla enheter. Dessa kommandon utför unika konfigurations- och modifieringsfunktioner. Så det är mycket viktigt att notera att när enheter från olika tillverkare implementerar liknande funktionalitet externt. Exempelvis kan differentialtrycksmätning innefatta helt olika hårdvara och även olika enhetsspecifika kommandouppsättningar.

HART-protokollarkitektur

HART-protokollet fungerar i två nätverkskonfigurationer som punkt till punkt och multipunkt som diskuteras nedan.

Pek-till-punkt nätverkskonfiguration

I punkt-till-punkt-nätverkskonfigurationen, för att kommunicera en enskild processvariabel, används den fasta 4–20 mA-signalen medan extra processvariabler och designparametrar överförs digitalt med HART-protokollet. Så den analoga 4–20 mA-signalen ändras inte av HART-signalen och kan användas på normalt sätt. Den digitala HART-kommunikationssignalen ger tillgång till sekundära variabler och andra data kan användas för underhåll, driftsättning, drift och diagnostiska ändamål.

Multi Drop Network Configuration

Denna nätverkskonfiguration gör att olika enheter kan anslutas med ett enda par ledningar. Kommunikationen inom denna konfiguration är helt digital eftersom kommunikation genom den analoga slingströmmen är inaktiverad eftersom strömmen i varje enhet är fixerad till ett minsta tillräckligt värde för drift av enheten normalt 4mA.

Hur fungerar HART-kommunikation?

HART-kommunikationsprotokollet använder Bell 202 FSK-standarden (Frequency Shift Keying) för att överlagra digitala signaler som representeras av två olika frekvenser som 1 200 Hz och 2 200 Hz. Här representerar 1 200 Hz frekvens bit 1 medan 2 200 Hz frekvens representerar bit 0 på motsvarande sätt.

När sinusvågor med dessa frekvenser placeras över på analoga DC-signalkablar sker dataöverföringen. Så, under denna överföring av data, påverkas inte 4-20 mA-signalen på grund av standardvärdet för en frekvensskiftsignal som motsvarar noll. Detta protokoll stöder samtidigt två kommunikationskanaler som 4-20 mA analog signal och digitala signaler.

Den analoga signalen kommunicerar det primära uppmätta värdet med strömslingan på 4-20mA, medan ytterligare enhetsdata kommuniceras via en digital signal som överlagras på den analoga signalen.
Den digitala signalen inkluderar information om enheten som enhetens tillstånd, diagnostik, beräknade värden etc. Så tillsammans erbjuder de två kommunikationskanalerna en mycket robust och billig kommunikationslösning som är mycket enkel att använda och konfigurera. Detta protokoll kallas ofta för ett hybridprotokoll eftersom det kombinerar både analog och digital kommunikation.

HART-tekniken är differentierad som ett master/slave-protokoll eftersom slavenheten bara fungerar när en masterenhet är ansluten till den. Här är slavenheten en smart enhet och huvudenheten en dator.

Lägen för HART-protokollet

I allmänhet, för kommunikation inom HART-protokollet, är enheten som används inom nätverket PLC eller distribuerat styrsystem som väljs som Master medan andra fältenheter betraktas som slavar som sensorer eller ställdon. Men här beror kommunikationen mellan master och slav huvudsakligen på vilket kommunikationssätt systemet är arrangerat till. HART-protokollnätverk kommunicerar i två lägen som master/slav-läge och burst-läge.

Master/Slav-läge

Detta läge är också känt som begäran-svar-läget. I denna typ av läge sänder slavenheter helt enkelt data när en begäran från masterenheten har utfärdats. För varje HART-slinga kan två masters anslutas. Så den primära mastern är normalt en DCS (distribuerat styrsystem), PC (persondator) eller PLC (programmerbar logisk styrenhet) medan den sekundära mastern är en annan PC eller en handterminal. Slavenheter är ställdon, styrenheter och sändare som reagerar på kommandon från masterenheterna.

Burst-läge

Vissa HART-protokollaktiverade enheter stöder helt enkelt detta kommunikationsläge. Detta läge tillåter snabbare kommunikation som tre till fyra datauppdateringar för varje sekund. Masterenheten i detta läge instruerar slavenheten att sända ett typiskt HART-svarsmeddelande kontinuerligt. Mastern får meddelandet i hög hastighet tills den beordrar slaven att sluta spricka. Detta läge är tillämpligt där ovanstående HART-enhet är nödvändig för att kommunicera från HART-loopen.

HART-protokoll vs Modbus

Skillnaden mellan HART-protokollet och Modbus inkluderar följande.

Fördelar

De fördelarna med HART-protokollet inkluderar följande.

• Enheterna som är aktiverade av HART-protokollet tillåter helt enkelt användarna att få enheten att använda de bästa data för att optimera sina operativa förmågor.
• Det minskar stilleståndstiderna på grund av fel på utrustningen genom att identifiera potentiella problem innan de inträffar.
• Det minskar lagerkostnaderna och underhållet av enheter.
• Det minskar väntetiderna för problemigenkänning och problemlösning.
• Det förbättrar säkerhetsintegritetsnivåerna genom att använda avancerad diagnostik.
• Fördelarna med att välja HART-protokollet inkluderar främst; digital kapacitet, analog kapacitet, tillgänglighet och interoperabilitet.
• Detta protokoll kan också användas med olika enheter och sensorer.
• HART-protokollbaserade enheter är allmänt accepterade i industrier.
• Detta protokoll ökar systemtillgängligheten, förloppsregelbundenhet, etc.

Nackdelar

De nackdelar med HART-protokollet inkluderar följande.

• Den digitala signalen inom HART-överföringen är ganska långsam.
• För ett multi-drop-arrangemang är den analoga signalen inte tillgänglig och nr. av enheter som kan dela överföringsledningen är begränsad.
• Den kan endast övervaka en processvariabel när som helst.
• Denna typ av protokoll är något långsam jämfört med andra Fieldbus-system som Profibus & Foundation Fieldbus. Så denna långsamma svarstid orsakar vissa svårigheter inom vissa industribaserade applikationer.
• I allmänhet är hastigheten på HART-protokollet tillräcklig för enkla övervakningssystem där processvariablerna inte varierar snabbt.

Ansökningar

De tillämpningar av HART-protokollet inkluderar följande.

• HART-protokollet används över hela världen för att överföra och ta emot digital data med analog ledning mellan smarta enheter och kontrollsystem.
• Detta är ett mycket populärt protokoll som används inom industriell automation.
• Detta protokoll är främst för att analysera smarta enheter.
• Detta används i stor utsträckning i process- och instrumentsystem.
• Denna typ av kommunikationsprotokoll är idealisk för multivariabla instrument som inkluderar massflödesmätare där volymetriskt flöde, massflöde, densitet och temperatur kan kommuniceras mot styrsystemet över en enda kabel.
• Detta protokoll är huvudsakligen utformat för att användas i industriell processtyrning och mätningstillämpningar.
• HART-protokollet används främst i processindustrier för kommunikation mellan olika enheter.

Detta är alltså en driften av HART-protokollet . Detta protokoll är den globala standarden som används för att överföra och ta emot digital data över analoga ledningar mellan smarta fältenheter såväl som övervaknings- eller kontrollsystem som DCS- och PLC-system. Detta dubbelriktade kommunikationsprotokoll ger helt enkelt rätten till inträde till ytterligare data mellan fältet och värdstyrenheten, allt från en handhållen enhet till ett tillgångshanteringssystem eller anläggningskontroller. Här är en fråga: Vilken är den fullständiga formen av HART-protokollet?