Inleiding tot het hart - snelweg adresseerbare communicatieprotocol voor transducers op afstand

De voordelen om twee machines (of componenten erin) met elkaar te laten praten, waren duidelijk voor experts op het gebied van industriële automatisering en besturing, lang voordat het internet der dingen (IoT) mainstream werd. De waarden in een temperatuursensor in het hart van een krukas die metingen verzendt om het motoraandrijfrelais enz. Te besturen, waren duidelijk, en een van de communicatieprotocollen die werden gebruikt om dat te bereiken, was het HART-protocol.

Met meer dan 30 miljoen daarop gebaseerde apparaten, geïnstalleerd over de hele wereld, wordt het HART-protocol beschouwd als het meest populaire protocol in industriële automatisering en het artikel van vandaag zal een overzicht geven van wat het zo speciaal maakt. We zullen de functies, toepassingen en geüpgradede versies, zoals de WirelessHART, onderzoeken.

Overzicht

Het Highway Addressable Remote Transducer (HART) -protocol is een van de meest populaire open communicatieprotocollen die in industriële automatisering worden gebruikt om digitale informatie via analoge bedrading tussen slimme apparaten en besturingssystemen te verzenden en te ontvangen. Dit protocol is een doorontwikkeling van het seriële communicatieprotocol zoals RS485 en wordt ook in de industrie veel gebruikt.

Het werd in de jaren 80 door Emerson ontwikkeld als een eigen communicatieprotocol om de defecten aan te pakken in het bestaande 4-20mA-communicatieprotocol, dat slechts één parameter of gemeten waarde kon verzenden. Met HART konden industriële automatiseringsinspanningen bi-directionele communicatie tot stand brengen die de nadelen van de 4-20mA oploste, maar ook zijn infrastructuur behoudt, aangezien het HART-protocol digitale signalen kan verzenden door deze zonder vervorming of interferentie op de analoge signalen te plaatsen.

Het effect van het bovenstaande is het creëren van twee gelijktijdige communicatiekanalen: het 4-20mA analoge signaal en een digitaal signaal. Deze combinatie is de reden waarom het protocol een hybride protocol wordt genoemd. Typische toepassingen zoals instrumentatie-apparaten kunnen het 4-20mA-signaal gebruiken om de primaire meetwaarde te verzenden en het gesuperponeerde digitale signaal gebruiken om informatie te verzenden.

Dankzij de ondersteuning voor 4-20mA-gebaseerde apparaten konden bedrijven hun legacy hardware blijven gebruiken. Dit, samen met het feit dat het protocol "Open" werd, zorgde ervoor dat het acceptatieniveau van het protocol hoog werd, totdat het de de facto standaard in de industrie werd.

Werking van HART-communicatieprotocol

HART-communicatie vindt plaats tussen twee HART-apparaten, meestal een smart field-apparaat en een besturings- of bewakingssysteem. Zoals eerder beschreven, zenden apparaten op basis van het protocol een analoog signaal uit met behulp van de bestaande 4-20mA-benadering, en digitale signalen door het signaal (als een wisselstroomsignaal) op het 4-20mA analoge signaal te superponeren met behulp van de Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) standaard.

De FSK-procedure omvat het superponeren van de sinusgolven van twee frequenties, typisch 1200 Hz en 2200 Hz, die de bits (respectievelijk 1 en 0) vertegenwoordigen van de verzonden gegevens. Het gebruik van FSK zorgt ervoor dat de gemiddelde waarde van de twee frequenties altijd nul is, zodat het analoge signaal niet wordt beïnvloed door het digitale signaal.

Netwerkconfiguratiemodi

Om aan de behoeften van verschillende toepassingen te voldoen, kunnen apparaten onder het HART-protocol worden geconfigureerd om in twee hoofdmodi te werken;

Point-to-Point-modus
Multi-drop-modus

1. Point-to-Point-netwerkmodus

In point-to-point-modus worden de digitale signalen zodanig over de 4-20 mA lusstroom heen gelegd dat zowel de 4-20 mA stroom als het digitale signaal kunnen worden gebruikt voor het overbrengen van berichten tussen de master en de slave. Dit vertegenwoordigt de typische toepassing van het protocol, met secundaire variabelen en gegevens, die kunnen worden gebruikt voor bewaking, onderhoud en diagnostische doeleinden, die worden uitgewisseld via de digitale signalen terwijl besturingssignalen worden verzonden via de analoge helft van het protocol. Een illustratie van de Point-to-Point-netwerkconfiguratie wordt gegeven in de onderstaande afbeelding.

2. Multi-Drop-netwerkmodus

Met de Multi-Drop-netwerkconfiguratiemodus kunnen verschillende apparaten op hetzelfde paar draden worden aangesloten op een manier die vergelijkbaar is met op adres gebaseerde protocollen zoals i2c. Communicatie in multi-drop-modus is volledig digitaal, aangezien communicatie via de analoge lusstroom is uitgeschakeld, aangezien de stroom door elk van de apparaten is vastgesteld op een minimumwaarde die net voldoende is voor de werking van het apparaat (typisch 4mA). Multi-drop netwerkconfiguraties worden meestal gebruikt in toezichtstoepassingen die ver uit elkaar staan, zoals in tankparken en pijpleidingen. De Multi-Drop-netwerkconfiguratie wordt geïllustreerd in de onderstaande afbeelding.

Communicatiemodi

Over het algemeen moet voor communicatie onder het HART-protocol één apparaat in het netwerk, meestal een gedistribueerd besturingssysteem of PLC, worden aangewezen als de master, terwijl andere (en), meestal veldapparatuur zoals sensoren of actuatoren, worden aangeduid als slaves.

De manier waarop de slaves met de master communiceren, hangt echter af van de communicatiemodus waarop het netwerk is geconfigureerd. Een netwerk van apparaten die compatibel zijn met het HART-protocol kan worden opgezet om in twee modi te communiceren, namelijk;

Request-Response communicatiemodus
Burst-modus

1. Request-Response communicatiemodus

In de Request-Response-communicatiemodus verzenden slaafapparaten alleen informatie wanneer een verzoek wordt verzonden door het masterapparaat. Hoewel deze modus zijn nadelen heeft, met name een lagere communicatiesnelheid (2-3 gegevensupdates per seconde), helpt het om het protocol eenvoudig en effectief te houden, gemakkelijk te implementeren.

2. Burst-modus

Om ruimte te maken voor variatie in toepassingsvereisten, heeft het protocol een andere communicatiemodus, de "Burst" -modus. In deze modus kunnen de slaveapparaten continu een enkel stukje informatie verzenden zonder dat er herhaalde verzoeken van de master nodig zijn. Deze modus biedt een hogere communicatiesnelheid met tot 3-4 updates per seconde, en wordt doorgaans gebruikt in scenario's waarin meer dan één HART-apparaat nodig is om naar communicatie van de HART-lus te luisteren.

Om externe bewaking mogelijk te maken, gewenst voor de meeste industriële toepassingen, ondersteunen beide communicatiemodi maximaal twee masters die zijn gedefinieerd als primair en secundair. De primaire master, zoals geïllustreerd in de bovenstaande afbeelding, is meestal het hoofdbesturings- / bewakingssysteem, terwijl de secundaire master meestal een apparaat is zoals handheld-terminals, ook wel HART-communicator genoemd, die slechts gedurende een korte periode op de HART-lus is aangesloten.

Voordelen

Enkele van de voordelen van het HART-protocol ten opzichte van andere in zijn klasse zijn onder meer;

1. Tweerichtingscommunicatie

Door bijvoorbeeld een analoog signaal van 4-20 mA te gebruiken, kan de informatie slechts in één richting stromen (zender naar ontvanger). Met HART-communicatie kunnen gegevens in beide richtingen reizen.

2. Nieuwe soorten informatie

Traditionele communicatiekanalen zoals de 4-20mA maken de communicatie van slechts één procesvariabele mogelijk zonder ruimte voor validatie, maar met HART kunt u tot 40 extra informatie samen met de procesvariabele krijgen.

Enkele voorbeelden van aanvullende informatie die uit HART-apparaten kan worden gehaald, zijn onder meer;

Apparaatstatus en diagnostische waarschuwingen
Procesvariabelen en eenheden
Loopstroom &% bereik
Basisconfiguratieparameters
Fabrikant en apparaatlabel

Door een combinatie van deze extra informatie te gebruiken, kunnen HART-apparaten zelf problemen met hun configuratie of bewerkingen melden aan het master / host-apparaat. Dit helpt de behoefte aan routinecontroles te verminderen en kan erg handig zijn voor voorspellend onderhoud.

3. Multivariabele apparaten

In de digitale modus kan een enkel paar draden meerdere variabelen aan. Een zender kan bijvoorbeeld input van meerdere sensoren verwerken

4. Onafhankelijkheid van leveranciers

Alles met betrekking tot HART werd door Emerson overgedragen aan de HART Communications Foundation, als zodanig zijn de standaarden open en niet specifiek voor één leverancier. Dit betekent dat er geen gevaar bestaat dat u verstrikt raakt in een beperkt aantal leverancierspecifieke of regionale "standaarden".

5. Breedte van het aanbod

HART wordt momenteel wereldwijd beschouwd als het meest ondersteunde protocol voor de procesindustrie. Het is zo populair dat de kans dat een industrieel apparaat HART-compatibel is bijna 1 is.

6. Interoperabiliteit

HART-compatibele apparaten en hostsystemen kunnen samenwerken, ongeacht de leverancier, modellen en andere compatibiliteit / interoperabiliteitsproblemen die netwerken teisteren. Zelfs host-apparaten die niet zijn ontworpen om de digitale informatie van een HART-apparaat te verwerken, hebben nog steeds een zekere mate van interoperabiliteit met communicatie via het 4-20 mA analoge signaal.

WirelessHART

Het HART-protocol is in de loop der jaren geëvolueerd met technologische vooruitgang en steeds geavanceerdere gebruikssituaties. Een van de recente producten van zijn evolutie is een nieuwe technologie genaamd WirelessHART, die volledig nieuwe mogelijkheden biedt met draadloze overdracht van HART-informatie.

Het is het eerste gestandaardiseerde (IEC62591) draadloze communicatieprotocol op het gebied van procesautomatisering. In tegenstelling tot het reguliere HART-protocol ondersteunt het in dit stadium alleen communicatie via het digitale signaal, aangezien er geen analoge communicatie is omdat er geen verbindingskabel wordt gebruikt.

Momenteel zijn er twee verschillende WirelessHART-oplossingen, waaronder;

Een WirelessHART-adapter voor het verbeteren van bestaande HART-apparaten
Een WirelessHART-zender met eigen stroomvoorziening.

WirelessHART kan worden gebruikt op bestaande bekabelde instrumenten om de enorme hoeveelheid informatie te verzamelen die eerder in het instrument was gestrand, en biedt ook een kosteneffectieve, eenvoudige en betrouwbare manier om nieuwe meet- en regelpunten te implementeren zonder de bedradingskosten.