HART-protocol: architectuur, werking en toepassingen

Op dit moment in industriële automatie , er worden verschillende soorten slimme veldapparatuur gebruikt, maar het monitoren van elk apparaat is erg moeilijk binnen de industrie door autoriteiten of veldingenieurs. Over het algemeen wordt dit soort monitoring bereikt met slimme apparaten, die gegevensoverdracht tussen verschillende aangesloten apparaten binnen en buiten de industrie naar het belangrijkste monitoringsysteem mogelijk maken. Het HART-protocol werd dus in 1980 geïntroduceerd en bouwt voort op de Bell 202-normen. Dit protocol is een industriestandaard geworden en wordt daarom gebruikt in industriële automatisering. Dit artikel bespreekt dus een overzicht van de HART-protocol – werken met applicaties.

Wat is het HART-protocol?

De term HART in HART-protocol staat voor 'Highway Addressable Remote Transducer', een open standaardprotocol dat wereldwijd wordt gebruikt voor het verzenden en ontvangen van digitale gegevens met analoge bedrading tussen slimme apparaten en controlesystemen . Dit protocol is erg populair, dus meer dan 30 miljoen apparaten over de hele wereld werken met het HART-protocol. Dit protocol wordt gebruikt om communicatie tot stand te brengen tussen hostsystemen en slimme veldapparatuur in industrieën.

Het HART-protocol werd populairder vanwege de mogelijkheid om het oudere 4-20 mA-gebaseerde analoge protocol te ondersteunen, terwijl het de grote voordelen van digitale slimme instrumentatie omvat.
Dit protocol beschrijft de fysieke verbindingstechnologie en ook de opdrachten die door verschillende toepassingen worden gebruikt. Hart-commando's zijn drie typen Universal, Common Practice & Device Specific.
Commando's van het universele type worden via alle HART-apparaten geïmplementeerd. Deze commando's worden voornamelijk gebruikt door een controller voor het identificeren van een veldapparaat en het lezen van procesgegevens.

Common Practice-commando's worden gebruikt om verschillende functies te beschrijven die normaal alleen van toepassing zijn op veldapparatuur. Deze apparaten bevatten opdrachten voor het wijzigen van het bereik, het kiezen van technische eenheden en het uitvoeren van zelftests.

Apparaatspecifieke typeopdrachten zijn niet voor elk apparaat hetzelfde. Deze commando's voeren unieke configuratie- en wijzigingsfuncties uit. Het is dus erg belangrijk om op te merken dat wanneer apparaten van verschillende fabrikanten vergelijkbare functionaliteit extern implementeren. De verschildrukmeting kan bijvoorbeeld verschillende hardware omvatten en ook verschillende apparaatspecifieke commando-sets.

HART-protocolarchitectuur

Het HART-protocol werkt in twee netwerkconfiguraties, zoals point-to-point en multi-point, die hieronder worden besproken.

Punt-naar-punt netwerkconfiguratie

In de point-to-point netwerkconfiguratie wordt voor het communiceren van een enkele procesvariabele het vaste 4-20 mA-signaal gebruikt, terwijl extra procesvariabelen en ontwerpparameters digitaal worden verzonden met het HART-protocol. Het 4-20 mA analoge signaal wordt dus niet veranderd door het HART-signaal en kan op een normale manier worden gebruikt. Het digitale HART-communicatiesignaal geeft toegang tot secundaire variabelen en andere gegevens kunnen worden gebruikt voor onderhoud, inbedrijfstelling, bewerkingen en diagnostische doeleinden.

Multi-drop netwerkconfiguratie

Met deze netwerkconfiguratie kunnen verschillende apparaten worden aangesloten met een enkel paar draden. De communicatie binnen deze configuratie is volledig digitaal aangezien communicatie door de analoge lusstroom is uitgeschakeld, aangezien de stroom door elk apparaat is vastgezet op een minimaal voldoende waarde voor de werking van het apparaat, normaal gesproken 4mA.

Hoe werkt HART-communicatie?

Het HART-communicatieprotocol gebruikt de Bell 202 FSK-standaard (Frequency Shift Keying) om digitale signalen te superponeren die worden weergegeven met twee verschillende frequenties, zoals 1.200 Hz en 2.200 Hz. Hier stelt de 1.200 Hz-frequentie bit 1 voor, terwijl de 2.200 Hz-frequentie overeenkomstig bit 0 vertegenwoordigt.

Wanneer sinusgolven met deze frequenties op analoge DC-signaalkabels worden geplaatst, vindt de gegevensoverdracht plaats. Dus tijdens deze gegevensoverdracht wordt het 4-20 mA-signaal niet beïnvloed vanwege de standaardwaarde van een frequentieverschuivingssleutelsignaal dat gelijk is aan nul. Dit protocol ondersteunt tegelijkertijd twee communicatiekanalen zoals 4-20 mA analoog signaal en digitale signalen.

Het analoge signaal communiceert de primaire meetwaarde met de 4-20mA stroomlus, terwijl de aanvullende apparaatgegevens worden gecommuniceerd via een digitaal signaal dat over het analoge signaal wordt gelegd.
Het digitale signaal omvat de informatie van het apparaat, zoals de toestand van het apparaat, diagnostiek, berekende waarden, enz. Samen bieden de twee communicatiekanalen dus een zeer robuuste en goedkope communicatieoplossing die zeer eenvoudig te gebruiken en te configureren is. Dit protocol wordt vaak een hybride protocol genoemd omdat het zowel analoge als digitale communicatie combineert.

De HART-technologie onderscheidt zich als een master/slave-protocol omdat het slave-apparaat alleen werkt als er een master-apparaat op is aangesloten. Hier is het slave-apparaat een slim apparaat en het master-apparaat een computer.

Modi van HART-protocol

Over het algemeen is voor communicatie binnen het HART-protocol het apparaat dat binnen het netwerk wordt gebruikt een PLC of gedistribueerd besturingssysteem dat wordt gekozen als de master, terwijl andere veldapparaten worden beschouwd als slaven zoals sensoren of actuatoren. Maar hier hangt de communicatie tussen master en slave vooral af van de manier van communiceren waarop het systeem is ingericht. HART-protocolnetwerk communiceert in twee modi, zoals master/slave-modus en burst-modus.

Master/Slave-modus

Deze modus wordt ook wel de verzoek-antwoordmodus genoemd. In dit type modus verzenden slave-apparaten eenvoudig gegevens zodra een verzoek van het master-apparaat is afgegeven. Voor elke HART-lus kunnen twee masters worden aangesloten. Dus de primaire master is normaal gesproken een DCS (gedistribueerd besturingssysteem), pc (personal computer) of PLC (programmeerbare logische controller), terwijl de secundaire master een andere pc of een draagbare terminal is. Slave-apparaten zijn actuatoren, controllers en zenders die reageren op opdrachten van de master-apparaten.

Burst-modus

Sommige apparaten met HART-protocol ondersteunen deze communicatiemodus gewoon. Deze modus maakt snellere communicatie mogelijk, zoals drie tot vier gegevensupdates per seconde. Het master-apparaat in deze modus geeft het slave-apparaat de opdracht om continu een typisch HART-antwoordbericht te verzenden. De master ontvangt het bericht met hoge snelheid totdat hij de slave opdracht geeft te stoppen met barsten. Deze modus is van toepassing wanneer het bovenstaande HART-apparaat nodig is om vanaf de HART-lus te communiceren.

HART-protocol versus Modbus

Het verschil tussen het HART-protocol en Modbus omvat het volgende.

Voordelen:

De voordelen van het HART-protocol omvatten het volgende.

• De apparaten die worden ingeschakeld door het HART-protocol stellen de gebruikers eenvoudig in staat om het apparaat de beste gegevens te laten gebruiken voor het optimaliseren van hun operationele capaciteiten.
• Het vermindert de uitvaltijden vanwege het falen van apparatuur door potentiële problemen te herkennen voordat ze zich voordoen.
• Het vermindert de voorraadkosten en het onderhoud van apparaten.
• Het verkort de wachttijden voor probleemherkenning en probleemoplossing.
• Het verbetert de veiligheidsintegriteitsniveaus door gebruik te maken van geavanceerde diagnostiek.
• De voordelen van het kiezen van het HART-protocol omvatten voornamelijk; digitale mogelijkheden, analoge mogelijkheden, beschikbaarheid en interoperabiliteit.
• Dit protocol kan ook worden gebruikt met verschillende apparaten en sensoren.
• Op HART-protocol gebaseerde apparaten worden algemeen geaccepteerd in de industrie.
• Dit protocol verhoogt de beschikbaarheid van het systeem, de regelmaat van de voortgang, enz.

nadelen

De nadelen van het HART-protocol omvatten het volgende.

• Het digitale signaal binnen de HART-transmissie is vrij traag.
• Voor een multi-drop-opstelling is het analoge signaal niet toegankelijk en het nr. van apparaten die de transmissielijn kunnen splitsen is beperkt.
• Het kan slechts één procesvariabele tegelijkertijd bewaken.
• Dit type protocol is wat traag in vergelijking met andere veldbussystemen zoals Profibus & Foundation Fieldbus. Deze trage reactietijd veroorzaakt dus problemen bij sommige industriële toepassingen.
• Over het algemeen is de snelheid van het HART-protocol voldoende voor eenvoudige bewakingssystemen waar de procesvariabelen niet snel variëren.

Toepassingen

De toepassingen van het HART-protocol omvatten het volgende.

• Het HART-protocol wordt wereldwijd gebruikt voor het verzenden en ontvangen van digitale gegevens met analoge bedrading tussen slimme apparaten en besturingssystemen.
• Dit is een zeer populair protocol dat wordt gebruikt in industriële automatisering.
• Dit protocol is voornamelijk bedoeld voor het analyseren van slimme apparaten.
• Dit wordt breed toegepast in proces- en instrumentatiesystemen.
• Dit type communicatieprotocol is ideaal voor instrumenten met meerdere variabelen, waaronder massastroommeters, overal waar volumestroom, massastroom, dichtheid en temperatuur via een enkele kabel naar het besturingssysteem kunnen worden gecommuniceerd.
• Dit protocol is voornamelijk bedoeld voor gebruik in industriële procesbesturing en meettoepassingen.
• Het HART-protocol wordt voornamelijk gebruikt in procesindustrieën voor communicatie tussen verschillende apparaten.

Dit is dus een werking van het HART-protocol . Dit protocol is de wereldwijde standaard die wordt gebruikt voor het verzenden en ontvangen van digitale gegevens via analoge draden tussen slimme veldapparatuur en bewakings- of controlesystemen zoals DCS- en PLC-systemen. Dit bidirectionele communicatieprotocol biedt eenvoudigweg het recht op toegang tot aanvullende gegevens tussen het veld en de hostcontroller, variërend van een handheld-apparaat tot een activabeheersysteem of plantcontroller. Hier is een vraag: Wat is de volledige vorm van het HART-protocol?