مقدمة إلى hart - بروتوكول اتصال محول الطاقة عن بُعد القابل للعنونة للطريق السريع

كانت فوائد الحصول على جهازين (أو مكونات بداخلهما) ، للتحدث مع بعضهما البعض ، أمرًا واضحًا لخبراء الأتمتة الصناعية والتحكم ، قبل أن يصبح إنترنت الأشياء (IoT) سائدًا. كانت القيم في مستشعر درجة الحرارة في قلب العمود المرفقي الذي يرسل القياسات للتحكم في مرحل محرك المحرك وما إلى ذلك واضحة ، وكان أحد بروتوكولات الاتصال المستخدمة في تحقيق ذلك هو بروتوكول HART.

مع وجود أكثر من 30 مليون جهاز مبني عليه ، مثبتة حول العالم ، يعتبر بروتوكول HART البروتوكول الأكثر شيوعًا في الأتمتة الصناعية وستقدم مقالة اليوم نظرة عامة على ما يجعلها مميزة للغاية. سنقوم بفحص ميزاته وتطبيقاته وإصداراته التي تمت ترقيتها مثل WirelessHART.

نظرة عامة

بروتوكول محول الطاقة عن بعد (HART) للطريق السريع هو أحد أكثر بروتوكولات الاتصال المفتوحة شيوعًا المستخدمة في الأتمتة الصناعية لإرسال واستقبال المعلومات الرقمية عبر الأسلاك التناظرية بين الأجهزة الذكية وأنظمة التحكم. هذا البروتوكول هو تطوير لبروتوكول الاتصال التسلسلي مثل RS485 والحدث الذي يستخدم أيضًا بشكل شائع في الصناعات.

تم تطويره بواسطة Emerson في الثمانينيات كبروتوكول اتصال خاص لمعالجة العيوب الموجودة في بروتوكول الاتصال 4-20mA الحالي ، والذي يمكنه فقط نقل معلمة واحدة أو قيمة مُقاسة. باستخدام HART ، يمكن أن تحقق جهود الأتمتة الصناعية اتصالات ثنائية الاتجاه تعمل على إصلاح عيوب 4-20mA ، ولكنها تحتفظ أيضًا ببنيتها التحتية حيث يمكن لبروتوكول HART إرسال إشارات رقمية عن طريق تركيبها على الإشارات التناظرية دون تشويه أو تداخل.

تأثير ما سبق هو إنشاء قناتي اتصال متزامنتين: إشارة تناظرية 4-20mA وإشارة رقمية. هذا المزيج هو سبب الإشارة إلى البروتوكول على أنه بروتوكول هجين. يمكن أن تستخدم التطبيقات النموذجية مثل أجهزة القياس إشارة 4-20mA لإرسال القيمة الأولية المقاسة ، واستخدام الإشارة الرقمية المتراكبة لإرسال المعلومات.

يعني دعم الأجهزة القائمة على 4-20mA أن الشركات يمكنها الاستمرار في استخدام أجهزتها القديمة. هذا ، جنبًا إلى جنب مع البروتوكول الذي أصبح "مفتوحًا" ، أدى إلى ارتفاع مستويات اعتماد البروتوكول حتى أصبح المعيار الفعلي في الصناعة

العمل من بروتوكول الاتصال HART

يحدث اتصال HART بين جهازين يدعمان HART ، وعادة ما يكون جهاز ميداني ذكي ونظام تحكم أو مراقبة. كما هو موضح سابقًا ، تنقل الأجهزة القائمة على البروتوكول الإشارة التناظرية باستخدام نهج 4-20mA الحالي ، والإشارات الرقمية عن طريق تراكب الإشارة (كإشارة تيار متناوبة) على الإشارة التناظرية 4-20mA ، باستخدام مفتاح تحويل التردد Bell 202 (FSK) القياسي.

يتضمن إجراء FSK تراكب موجات جيبية لترددين ، عادةً 1200 هرتز و 2200 هرتز ، والتي تمثل البتات (1 و 0 على التوالي) للبيانات المرسلة. يضمن استخدام FSK أن متوسط ​​قيمة الترددين هو صفر دائمًا ، مما يضمن عدم تأثر الإشارة التناظرية بالإشارة الرقمية.

أوضاع تكوين الشبكة

لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة ، يمكن تكوين الأجهزة بموجب بروتوكول HART للعمل في وضعين رئيسيين ؛

1. وضع نقطة إلى نقطة
2. وضع الإسقاط المتعدد

1. وضع الشبكة من نقطة إلى نقطة

في الوضع من نقطة إلى نقطة ، يتم تراكب الإشارات الرقمية على تيار الحلقة 4-20 مللي أمبير بحيث يمكن استخدام كل من التيار 4-20 مللي أمبير والإشارة الرقمية في نقل الرسائل بين السيد والرقيق. يمثل هذا التطبيق النموذجي للبروتوكول ، مع المتغيرات والبيانات الثانوية ، التي يمكن استخدامها لأغراض المراقبة والصيانة والتشخيص ، حيث يتم تبادلها عبر الإشارات الرقمية بينما يتم إرسال إشارات التحكم عبر النصف التمثيلي للبروتوكول. يتم توفير رسم توضيحي لتكوين شبكة نقطة إلى نقطة في الصورة أدناه.

2. وضع الشبكة المتعددة الإسقاط

يتيح وضع تكوين الشبكة Multi-Drop إمكانية توصيل العديد من الأجهزة بنفس زوج الأسلاك بطريقة مشابهة للبروتوكولات القائمة على العنوان مثل i2c. الاتصال في وضع الإسقاط المتعدد رقمي تمامًا حيث يتم تعطيل الاتصال عبر تيار الحلقة التناظرية نظرًا لأن التيار من خلال كل جهاز ثابت عند قيمة دنيا كافية فقط لتشغيل الجهاز (عادةً 4 مللي أمبير). تُستخدم تكوينات الشبكة متعددة الإسقاط عادةً في تطبيقات التحكم الإشرافية التي يتم تباعدها على نطاق واسع كما هو الحال في مزارع الخزانات وخطوط الأنابيب. و تكوين شبكة متعدد قطرة هو موضح في الصورة أدناه.

أوضاع الاتصال

بشكل عام ، بالنسبة للاتصالات بموجب بروتوكول HART ، يلزم تعيين جهاز واحد في الشبكة ، عادةً ما يكون نظام تحكم موزعًا أو PLC ، ليكون الجهاز الرئيسي بينما يتم تعيين أجهزة أخرى ، عادةً ما تكون أجهزة ميدانية مثل أجهزة الاستشعار أو المشغلات ، على أنها عبيد.

ومع ذلك ، فإن الطريقة التي يتواصل من خلالها العبيد مع السيد تعتمد على وضع الاتصال الذي تم تكوين الشبكة عليه. يمكن إنشاء شبكة من الأجهزة المتوافقة مع بروتوكول HART للتواصل في وضعين ، وهما ؛

1. وضع الاتصال والاستجابة للطلب
2. وضع الاندفاع

1. وضع الاتصال والاستجابة للطلب

في وضع اتصال الطلب والاستجابة ، تنقل الأجهزة التابعة المعلومات فقط عندما يتم إصدار طلب بواسطة الجهاز الرئيسي. في حين أن هذا الوضع له عيوبه بشكل خاص سرعة الاتصال المنخفضة (2-3 تحديث للبيانات في الثانية) ، فإنه يساعد في الحفاظ على البروتوكول بسيطًا وفعالًا وسهل التنفيذ.

2. وضع الاندفاع

لإفساح المجال للتغيير في متطلبات التطبيق ، يحتوي البروتوكول على وضع اتصال آخر يسمى وضع "الاندفاع". في هذا الوضع ، يمكن للأجهزة التابعة إرسال معلومة واحدة ، بشكل مستمر ، دون الحاجة إلى الطلبات المتكررة من السيد. يوفر هذا الوضع سرعة اتصال أسرع مع ما يصل إلى 3-4 تحديثات في الثانية ، ويتم استخدامه عادةً في السيناريوهات التي تتطلب أكثر من جهاز HART للاستماع إلى الاتصال من HART Loop.

للسماح بالمراقبة الخارجية ، المرغوبة لمعظم التطبيقات الصناعية ، يدعم كلا وضع الاتصال ما يصل إلى سيدين محددين على أنهما أساسي وثانوي. عادةً ما يكون المعلم الأساسي ، كما هو موضح في الصورة أعلاه ، هو نظام التحكم / المراقبة الرئيسي بينما يكون الجهاز الرئيسي الثانوي عادةً جهازًا مثل المحطات المحمولة باليد ويعرف أيضًا باسم HART Communicator ، والذي يتم توصيله فقط بحلقة HART لفترة قصيرة.

فوائد

تشمل بعض مزايا بروتوكول HART على الآخرين في فئته ؛

1. اتصال ثنائي الاتجاه

يسمح استخدام إشارة تناظرية 4-20mA ، على سبيل المثال ، بتدفق المعلومات في اتجاه واحد فقط (المرسل إلى المستقبل). باستخدام HART Communication ، يمكن أن تنتقل البيانات في كلا الاتجاهين.

2. أنواع جديدة من المعلومات

تسمح قنوات الاتصال التقليدية مثل 4-20mA بالاتصال بمتغير عملية واحد فقط بدون مجال للتحقق ، ولكن مع HART ، يمكنك الحصول على ما يصل إلى 40 معلومة إضافية مع متغير العملية.

تتضمن بعض الأمثلة على المعلومات الإضافية التي يمكن الحصول عليها من الأجهزة القائمة على HART ؛

1. تنبيهات حالة الجهاز والتشخيص
2. متغيرات ووحدات العملية
3. الحلقة الحالية والنطاق٪
4. معلمات التكوين الأساسية
5. الشركة المصنعة وعلامة الجهاز

باستخدام مزيج من هذه المعلومات الإضافية ، يمكن لأجهزة HART الإبلاغ الذاتي عن المشكلات المتعلقة بتكوينها أو عملياتها إلى الجهاز الرئيسي / المضيف. يساعد هذا في تقليل الحاجة إلى الفحوصات الروتينية ويمكن أن يكون مفيدًا جدًا للصيانة التنبؤية.

3. الأجهزة متعددة المتغيرات

في الوضع الرقمي ، يمكن لزوج واحد من الأسلاك التعامل مع متغيرات متعددة. على سبيل المثال ، يمكن لجهاز إرسال واحد معالجة المدخلات من أجهزة استشعار متعددة

4. استقلالية البائع

تم تسليم كل ما يتعلق بـ HART بواسطة Emerson إلى مؤسسة HART Communications Foundation ، حيث أن المعايير مفتوحة وليست خاصة بمورد واحد. هذا يعني أنه لا يوجد خطر من الوقوع في "معايير" محدودة خاصة بالبائع أو "معايير" إقليمية.

5. اتساع نطاق التوريد

يعتبر HART حاليًا البروتوكول الأكثر دعمًا لصناعة العملية عبر العالم. من الشائع جدًا أن يكون احتمال أن يكون الجهاز الصناعي متوافقًا مع HART هو 1 تقريبًا.

6. قابلية التشغيل البيني

يمكن أن تعمل الأجهزة المتوافقة مع HART والأنظمة المضيفة معًا بغض النظر عن البائع والنماذج ومشكلات التوافق / التشغيل البيني الأخرى التي تصيب الشبكات. حتى الأجهزة المضيفة التي لم يتم تصميمها للتعامل مع المعلومات الرقمية من جهاز HART ستظل تتمتع بمستوى معين من التشغيل البيني مع الاتصالات من خلال الإشارة التناظرية 4-20 مللي أمبير.

WirelessHART

لقد تطور بروتوكول HART على مر السنين مع التقدم في التكنولوجيا وزيادة التعقيد في حالات الاستخدام. أحد المنتجات الحديثة لتطورها هو تقنية جديدة تسمى WirelessHART ، والتي تقدم إمكانيات جديدة تمامًا مع الإرسال اللاسلكي لمعلومات HART.

إنه أول بروتوكول اتصال لاسلكي قياسي (IEC62591) في مجال أتمتة العمليات. على عكس بروتوكول HART العادي ، فإنه في هذه المرحلة يدعم فقط الاتصال عبر الإشارة الرقمية حيث لا يتم توفير الاتصال التناظري نظرًا لعدم استخدام كابل اتصال.

يوجد حاليًا نوعان مختلفان من حلول WirelessHART بما في ذلك ؛

1. محول WirelessHART لتحسين أجهزة HART الموجودة
2. جهاز إرسال WirelessHART يعمل بالطاقة الذاتية.

يمكن استخدام WirelessHART على الأجهزة السلكية الحالية لجمع الكم الهائل من المعلومات التي تقطعت بها السبل سابقًا في الجهاز ، كما يوفر طريقة فعالة من حيث التكلفة وبسيطة وموثوقة لنشر نقاط قياس وتحكم جديدة بدون تكاليف الأسلاك.