Protocol HART: arquitectura, treball i les seves aplicacions

Actualment a automatització industrial , s'utilitzen diferents tipus de dispositius de camp intel·ligents, però la supervisió de cada dispositiu és molt difícil dins de la indústria per part de les autoritats o els enginyers de camp. Per tant, generalment, aquest tipus de monitorització s'aconsegueix amb dispositius intel·ligents, que permeten la transferència de dades entre diferents dispositius connectats dins i fora de la indústria al principal sistema de monitorització. Per tant, el protocol HART es va introduir el 1980 i es basa en els estàndards Bell 202. Aquest protocol s'ha convertit en un estàndard de la indústria, per tant utilitzat en l'automatització industrial. Per tant, aquest article tracta una visió general del Protocol HART - Treballar amb aplicacions.

Què és el protocol HART?

El terme HART en el protocol HART significa 'Highway Addressable Remote Transducer', que és un protocol estàndard obert utilitzat a tot el món per transmetre i rebre dades digitals amb cablejat analògic entre dispositius intel·ligents i sistemes de control . Aquest protocol és molt popular, de manera que més de 30 milions de dispositius a tot el món funcionen amb el protocol HART. Aquest protocol s'utilitza per establir la comunicació entre sistemes host, així com dispositius de camp intel·ligents a les indústries.

El protocol HART va guanyar més popularitat a causa de la seva capacitat de suportar el protocol analògic més antic basat en 4-20 mA, alhora que inclou els principals avantatges de la instrumentació intel·ligent digital.
Aquest protocol descriu la tecnologia de connexió física i també les ordres utilitzades per diferents aplicacions. Les ordres Hart són de tres tipus: Universal, Common Practice i Device Specific.
Les ordres de tipus universal s'implementen a través de tots els dispositius HART. Aquestes ordres les utilitza principalment un controlador per identificar un dispositiu de camp així com per llegir dades de procés.

Les ordres de tipus Common Practice s'utilitzen per descriure diferents funcions que normalment són aplicables només als dispositius de camp. Aquests dispositius inclouen ordres per canviar el rang, triar unitats d'enginyeria i executar autoproves.

Les ordres de tipus específics del dispositiu no són les mateixes per a tots els dispositius. Aquestes ordres executen funcions úniques de configuració i modificació. Per tant, és molt significatiu tenir en compte que quan els dispositius de diversos fabricants implementen una funcionalitat similar externament. Per exemple, la mesura de pressió diferencial pot incloure diferents maquinari completament i també diferents conjunts d'ordres específics del dispositiu.

Arquitectura del protocol HART

El protocol HART funciona en dues configuracions de xarxa, com ara punt a punt i multipunt, que es comenten a continuació.

Configuració de xarxa punt a punt

A la configuració de xarxa punt a punt, per comunicar una única variable de procés, s'utilitza el senyal fix de 4-20 mA, mentre que les variables de procés addicionals i els paràmetres de disseny es transmeten digitalment amb el protocol HART. Per tant, el senyal analògic de 4-20 mA no es modifica pel senyal HART i es pot utilitzar de manera normal. El senyal digital de comunicació HART proporciona el dret d'entrada a variables secundàries i altres dades es poden utilitzar per a fins de manteniment, posada en marxa, operacions i diagnòstic.

Configuració de xarxa multipunt

Aquesta configuració de xarxa permet connectar diversos dispositius amb un sol parell de cables. La comunicació dins d'aquesta configuració és completament digital, ja que la comunicació a través del corrent de bucle analògic està desactivada, ja que el corrent de cada dispositiu es fixa en un valor mínim suficient per al funcionament del dispositiu normalment 4mA.

Com funciona la comunicació HART?

El protocol de comunicació HART utilitza l'estàndard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) per superposar senyals digitals que es representen amb dues freqüències diferents com 1.200 Hz i 2.200 Hz. Aquí, la freqüència de 1.200 Hz representa el bit 1, mentre que la freqüència de 2.200 Hz representa el bit 0 corresponent.

Quan les ones sinusoïdals amb aquestes freqüències es col·loquen als cables de senyal analògic de CC, es produeix la transferència de dades. Així, durant aquesta transferència de dades, el senyal de 4-20 mA no es veu afectat a causa del valor estàndard d'un senyal de desplaçament de freqüència equivalent a zero. Aquest protocol admet alhora dos canals de comunicació com ara senyals analògics de 4-20 mA i senyals digitals.

El senyal analògic comunica el valor mesurat primari amb el bucle de corrent de 4-20 mA, mentre que les dades addicionals del dispositiu es comuniquen mitjançant un senyal digital que es superposa al senyal analògic.
El senyal digital inclou la informació del dispositiu com l'estat del dispositiu, diagnòstics, valors calculats, etc. Així, conjuntament, els dos canals de comunicació ofereixen una solució de comunicació molt robusta i de baix cost que és molt senzilla d'utilitzar i configurar. Aquest protocol s'anomena sovint protocol híbrid perquè combina comunicació analògica i digital.

La tecnologia HART es diferencia com a protocol mestre/esclau perquè el dispositiu esclau només funciona un cop s'hi connecta un dispositiu mestre. Aquí, el dispositiu esclau és un dispositiu intel·ligent i el dispositiu mestre és un ordinador.

Modes del protocol HART

En general, per a la comunicació dins del protocol HART, el dispositiu utilitzat dins de la xarxa és un PLC o un sistema de control distribuït que s'escull com a mestre, mentre que altres dispositius de camp es consideren esclaus com sensors o actuadors. Però aquí la comunicació entre mestre i esclau depèn principalment del mode de comunicació al qual està disposat el sistema. La xarxa del protocol HART es comunica en dos modes com el mode mestre/esclau i el mode ràfega.

Mode mestre/esclau

Aquest mode també es coneix com el mode petició-resposta. En aquest tipus de mode, els dispositius esclaus simplement transmeten dades un cop s'emet una sol·licitud del dispositiu mestre. Per a cada bucle HART, es poden connectar dos mestres. Així, el mestre primari és normalment un DCS (sistema de control distribuït), un PC (ordinador personal) o un PLC (controlador lògic programable), mentre que el mestre secundari és un altre PC o un terminal portàtil. Els dispositius esclaus són actuadors, controladors i transmissors que reaccionen a les ordres dels dispositius mestres.

Mode ràfega

Alguns dispositius amb protocol HART només admeten aquest mode de comunicació. Aquest mode permet una comunicació més ràpida com de tres a quatre actualitzacions de dades per cada segon. El dispositiu mestre en aquest mode indica al dispositiu esclau que transmeti un missatge de resposta HART típic contínuament. El mestre rep el missatge a gran velocitat fins que ordena a l'esclau que deixi d'esclatar. Aquest mode és aplicable quan el dispositiu HART anterior és necessari per comunicar-se des del bucle HART.

Protocol HART vs Modbus

La diferència entre el protocol HART i Modbus inclou el següent.

Avantatges

El avantatges del protocol HART incloure el següent.

• Els dispositius que estan habilitats pel protocol HART simplement permeten als usuaris fer que el dispositiu utilitzi les millors dades per optimitzar les seves capacitats operatives.
• Disminueix els temps d'inactivitat a causa de la fallada dels equips reconeixent els problemes potencials abans que es produeixin.
• Redueix els costos d'inventari i manteniment dels dispositius.
• Disminueix els temps d'espera per al reconeixement i la resolució de problemes.
• Millora els nivells d'integritat de seguretat mitjançant l'ús de diagnòstics avançats.
• Els avantatges de triar el protocol HART inclouen principalment; capacitat digital, capacitat analògica, disponibilitat i interoperabilitat.
• Aquest protocol també es pot utilitzar amb diferents dispositius i sensors.
• Els dispositius basats en el protocol HART són àmpliament acceptats a les indústries.
• Aquest protocol augmenta la disponibilitat del sistema, la regularitat del progrés, etc.

Desavantatges

El desavantatges del protocol HART incloure el següent.

• El senyal digital dins de la transmissió HART és bastant lent.
• Per a una disposició multi-gota, el senyal analògic no és accessible i el no. de dispositius que poden dividir la línia de transmissió està restringit.
• Només pot supervisar una variable de procés en qualsevol moment.
• Aquest tipus de protocol és una mica lent en comparació amb altres sistemes Fieldbus com Profibus i Foundation Fieldbus. Per tant, aquest temps de resposta lent provoca algunes dificultats en algunes aplicacions de base industrial.
• En general, la velocitat del protocol HART és suficient per a sistemes de monitoratge senzills sempre que les variables del procés no varien ràpidament.

Aplicacions

El aplicacions del protocol HART incloure el següent.

• El protocol HART s'utilitza a tot el món per transmetre i rebre dades digitals amb cablejat analògic entre dispositius intel·ligents i sistemes de control.
• Aquest és un protocol molt popular utilitzat en l'automatització industrial.
• Aquest protocol és principalment per analitzar dispositius intel·ligents.
• Això s'utilitza àmpliament en sistemes de processos i instrumentació.
• Aquest tipus de protocol de comunicació és ideal per a instruments multivariables que inclouen comptadors de cabal massiu allà on es pugui comunicar el cabal volumètric, el cabal de massa, la densitat i la temperatura cap al sistema de control mitjançant un sol cable.
• Aquest protocol està dissenyat principalment per utilitzar-lo en aplicacions de control i mesura de processos industrials.
• El protocol HART s'utilitza principalment a les indústries de processos per a la comunicació entre diferents dispositius.

Per tant, això és un funcionament del protocol HART . Aquest protocol és l'estàndard global utilitzat per transmetre i rebre dades digitals a través de cables analògics entre dispositius de camp intel·ligents, així com sistemes de monitorització o control com ara sistemes DCS i PLC. Aquest protocol de comunicació bidireccional simplement proporciona el dret d'entrada a dades addicionals entre el camp i el controlador amfitrió que van des d'un dispositiu portàtil fins a un sistema de gestió d'actius o un controlador de planta. Aquí hi ha una pregunta: Quina és la forma completa del protocol HART?