Giới thiệu về hart - giao thức truyền thông đầu dò từ xa có thể định địa chỉ trên đường cao tốc

Lợi ích của việc để hai máy (hoặc các thành phần bên trong chúng) trò chuyện với nhau đã là điều hiển nhiên đối với các chuyên gia điều khiển và tự động hóa công nghiệp, trước khi Internet of Things (IoT) trở thành xu hướng chủ đạo. Các giá trị trong cảm biến nhiệt độ ở trung tâm của trục khuỷu gửi các phép đo để điều khiển rơ le truyền động động cơ, v.v. rất rõ ràng và một trong những giao thức truyền thông được sử dụng để đạt được điều đó là Giao thức HART.

Với hơn 30 triệu thiết bị dựa trên nó, được cài đặt trên khắp thế giới, Giao thức HART được coi là giao thức phổ biến nhất trong tự động hóa công nghiệp và bài viết hôm nay sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về điều khiến nó trở nên đặc biệt. Chúng tôi sẽ xem xét các tính năng, ứng dụng và các phiên bản nâng cấp của nó như WirelessHART.

Tổng quat

Giao thức đầu dò từ xa có thể định địa chỉ (HART) là một trong những giao thức truyền thông mở phổ biến nhất được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp để gửi và nhận thông tin kỹ thuật số thông qua hệ thống dây tương tự giữa các thiết bị thông minh và hệ thống điều khiển. Giao thức này là một tiến bộ của Giao thức truyền thông nối tiếp như RS485 và sự kiện này cũng được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp.

Nó được phát triển bởi Emerson vào những năm 1980 như một giao thức truyền thông độc quyền để giải quyết các khiếm khuyết trong giao thức truyền thông 4-20mA hiện có , giao thức này chỉ có thể truyền một tham số hoặc giá trị đo được. Với HART, các nỗ lực tự động hóa trong công nghiệp có thể đạt được giao tiếp hai chiều khắc phục nhược điểm của 4-20mA, nhưng cũng giữ lại cơ sở hạ tầng của nó vì Giao thức HART có thể gửi tín hiệu kỹ thuật số bằng cách đặt nó lên các tín hiệu tương tự mà không bị méo hoặc nhiễu.

Tác dụng của cách trên là tạo ra hai kênh liên lạc đồng thời: tín hiệu tương tự 4-20mA và tín hiệu số. Sự kết hợp này là lý do tại sao giao thức được gọi là Giao thức kết hợp. Các ứng dụng điển hình như thiết bị đo đạc có thể sử dụng tín hiệu 4-20mA để gửi giá trị đo chính và sử dụng tín hiệu kỹ thuật số xếp chồng để gửi thông tin.

Việc hỗ trợ các thiết bị dựa trên 4-20mA có nghĩa là các công ty có thể tiếp tục sử dụng phần cứng cũ của họ. Điều này, cùng với việc giao thức trở thành “Mở”, đã đẩy mức độ chấp nhận của giao thức lên cao, cho đến khi nó trở thành tiêu chuẩn thực tế trong ngành

Hoạt động của Giao thức truyền thông HART

Giao tiếp HART xảy ra giữa hai thiết bị hỗ trợ HART, thường là thiết bị trường thông minh và hệ thống điều khiển hoặc giám sát. Như đã mô tả trước đó, các thiết bị dựa trên giao thức truyền tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận 4-20mA hiện có và tín hiệu kỹ thuật số bằng cách chồng tín hiệu (dưới dạng tín hiệu dòng điện xoay chiều) trên tín hiệu tương tự 4-20mA, sử dụng Phím dịch chuyển tần số Bell 202 (FSK) tiêu chuẩn.

Thủ tục FSK liên quan đến việc chồng các sóng sinewaves của hai tần số, thường là 1200Hz và 2200Hz, đại diện cho các bit (1 và 0 tương ứng) của dữ liệu được gửi. Việc sử dụng FSK đảm bảo giá trị trung bình của hai tần số luôn bằng 0, đảm bảo tín hiệu tương tự không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu số.

Chế độ cấu hình mạng

Để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau, các thiết bị theo Giao thức HART có thể được cấu hình để hoạt động ở hai chế độ chính;

Chế độ điểm-điểm
Chế độ thả nhiều

1. Chế độ mạng điểm-điểm

Trong chế độ điểm-điểm, các tín hiệu kỹ thuật số được phủ lên trên dòng điện vòng 4–20 mA theo cách mà cả dòng điện 4–20 mA và tín hiệu kỹ thuật số đều có thể được sử dụng để truyền tải thông điệp giữa chủ và phụ. Điều này thể hiện ứng dụng điển hình của giao thức, với các biến và dữ liệu thứ cấp, có thể được sử dụng cho mục đích giám sát, bảo trì và chẩn đoán, được trao đổi qua tín hiệu kỹ thuật số trong khi tín hiệu điều khiển được gửi qua nửa tương tự của giao thức. Hình ảnh minh họa về cấu hình Mạng điểm-điểm được cung cấp trong hình dưới đây.

2. Chế độ mạng nhiều giọt

Chế độ cấu hình mạng Multi-Drop cho phép một số thiết bị được kết nối trên cùng một cặp dây theo cách tương tự như các giao thức dựa trên địa chỉ như i2c. Giao tiếp trong chế độ nhiều giọt hoàn toàn là kỹ thuật số vì giao tiếp qua dòng vòng tương tự bị vô hiệu hóa vì dòng điện qua mỗi thiết bị được cố định ở giá trị tối thiểu vừa đủ cho hoạt động của thiết bị (thường là 4mA). Cấu hình mạng nhiều giọt thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển giám sát có khoảng cách rộng rãi như trong các trang trại bể chứa và đường ống. Các cấu hình mạng Multi-Drop được minh họa trong hình dưới đây.

Chế độ giao tiếp

Nói chung, đối với truyền thông theo Giao thức HART, một thiết bị trong mạng, thường là hệ thống điều khiển phân tán hoặc PLC, được chỉ định là Thiết bị chính trong khi (các) khác, thường là các thiết bị trường như cảm biến hoặc thiết bị truyền động, được chỉ định làm nô lệ.

Tuy nhiên, cách thức mà các nô lệ giao tiếp với chủ phụ thuộc vào chế độ giao tiếp mà mạng được cấu hình. Một mạng các thiết bị tuân thủ giao thức HART có thể được thiết lập để giao tiếp ở hai chế độ, cụ thể là;

Chế độ giao tiếp Yêu cầu-Phản hồi
Chế độ chụp

1. Chế độ giao tiếp đáp ứng yêu cầu

Trong chế độ Giao tiếp đáp ứng yêu cầu, thiết bị phụ chỉ truyền thông tin khi thiết bị chính đưa ra yêu cầu. Mặc dù chế độ này có những nhược điểm đặc biệt là giảm tốc độ truyền thông (cập nhật dữ liệu 2-3 lần / giây), nhưng nó giúp giữ cho giao thức đơn giản và hiệu quả, dễ thực hiện.

2. Chế độ Burst

Để tạo chỗ cho sự thay đổi trong các yêu cầu ứng dụng, giao thức có một chế độ giao tiếp khác được gọi là Chế độ “Burst”. Trong chế độ này, các thiết bị phụ có thể gửi một phần thông tin liên tục mà không cần yêu cầu lặp lại từ chủ. Chế độ này cung cấp tốc độ giao tiếp nhanh hơn với tối đa 3-4 bản cập nhật mỗi giây và nó thường được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu nhiều hơn một thiết bị HART để nghe giao tiếp từ HART Loop.

Để cho phép giám sát bên ngoài, mong muốn cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp, cả hai chế độ giao tiếp đều hỗ trợ tối đa hai chế độ chính được xác định là chính và phụ. Thiết bị chính, như minh họa trong hình trên, thường là hệ thống điều khiển / giám sát chính trong khi thiết bị chính phụ thường là một thiết bị như thiết bị đầu cuối cầm tay hay còn gọi là HART Communicator, chỉ được kết nối với vòng lặp HART trong một khoảng thời gian ngắn.

Những lợi ích

Một số ưu điểm của giao thức HART so với các giao thức khác cùng loại bao gồm;

1. Giao tiếp hai chiều

Ví dụ, việc sử dụng tín hiệu tương tự 4-20mA cho phép luồng thông tin chỉ theo một hướng (Máy phát đến máy thu). Với Giao tiếp HART, dữ liệu có thể truyền theo cả hai hướng.

2. Các loại thông tin mới

Các kênh giao tiếp truyền thống như 4-20mA chỉ cho phép truyền thông một biến quy trình duy nhất mà không có chỗ để xác thực, nhưng Với HART, bạn có thể nhận được tới 40 thông tin bổ sung cùng với biến quy trình.

Một số ví dụ về thông tin bổ sung có thể được thu thập từ các thiết bị dựa trên HART bao gồm;

Trạng thái thiết bị & cảnh báo chẩn đoán
Xử lý biến & đơn vị
Vòng lặp hiện tại &% phạm vi
Thông số cấu hình cơ bản
Thẻ nhà sản xuất & thiết bị

Sử dụng kết hợp thông tin bổ sung này, thiết bị HART có thể tự báo cáo các vấn đề về cấu hình hoặc hoạt động của chúng với thiết bị chủ / chủ. Điều này giúp giảm nhu cầu kiểm tra định kỳ và có thể rất hữu ích cho việc bảo trì dự đoán.

3. Thiết bị đa biến

Trong chế độ kỹ thuật số, một đôi dây có thể xử lý nhiều biến. Ví dụ: một máy phát có thể xử lý đầu vào từ nhiều cảm biến

4. Tính độc lập của nhà cung cấp

Mọi thứ liên quan đến HART đã được Emerson bàn giao cho HART Communications Foundation, vì vậy các tiêu chuẩn này được mở và không dành riêng cho một nhà cung cấp. Điều này có nghĩa là không có nguy cơ bị khóa vào "tiêu chuẩn" khu vực hoặc nhà cung cấp cụ thể có giới hạn.

5. Chiều rộng cung cấp

HART hiện được coi là giao thức được hỗ trợ rộng rãi nhất cho ngành công nghiệp xử lý trên toàn thế giới. Nó phổ biến đến mức xác suất thiết bị công nghiệp Tương thích HART gần như là 1.

6. Khả năng tương tác

Các thiết bị và hệ thống máy chủ tương thích với HART có thể hoạt động cùng nhau bất kể nhà cung cấp, kiểu máy và các vấn đề về khả năng tương thích / tương tác khác gây ảnh hưởng đến mạng. Ngay cả các thiết bị chủ không được thiết kế để xử lý thông tin kỹ thuật số từ thiết bị HART vẫn sẽ có một số mức độ tương tác với truyền thông qua tín hiệu tương tự 4-20 mA.

WirelessHART

Giao thức HART đã phát triển qua nhiều năm với những tiến bộ trong công nghệ và sự gia tăng độ phức tạp của các trường hợp sử dụng. Một trong những sản phẩm gần đây của sự phát triển của nó là một công nghệ mới được gọi là WirelessHART, mang đến những khả năng hoàn toàn mới với việc truyền thông tin HART không dây.

Đây là giao thức truyền thông không dây được tiêu chuẩn hóa (IEC62591) đầu tiên trong lĩnh vực tự động hóa quy trình. Không giống như Giao thức HART Thông thường, ở giai đoạn này, nó chỉ hỗ trợ giao tiếp qua tín hiệu kỹ thuật số vì giao tiếp tương tự không được cung cấp vì không có cáp kết nối nào được sử dụng.

Hiện tại, có hai Giải pháp WirelessHART khác nhau bao gồm;

Bộ điều hợp HART không dây để nâng cao các Thiết bị HART hiện có
Bộ phát WirelessHART tự cấp nguồn.

WirelessHART có thể được sử dụng trên các thiết bị có dây hiện có để thu thập lượng lớn thông tin đã được lưu giữ trước đó trong thiết bị, đồng thời cung cấp một cách hiệu quả về chi phí, đơn giản và đáng tin cậy để triển khai các điểm đo lường và điều khiển mới mà không cần chi phí đi dây.