Einführung in das Hart-Highway-adressierbare Fernwandler-Kommunikationsprotokoll

Die Vorteile, zwei Maschinen (oder Komponenten in ihnen) miteinander zu kommunizieren, waren für Experten für industrielle Automatisierung und Steuerung offensichtlich, lange bevor das Internet der Dinge (IoT) zum Mainstream wurde. Die Werte in einem Temperatursensor im Herzen einer Kurbelwelle, die Messungen zur Steuerung des Motorantriebsrelais usw. sendeten, waren klar, und eines der Kommunikationsprotokolle, die verwendet wurden, um dies zu erreichen, war das HART-Protokoll.

Mit über 30 Millionen darauf installierten Geräten, die weltweit installiert sind, gilt das HART-Protokoll als das beliebteste Protokoll in der industriellen Automatisierung. Der heutige Artikel bietet einen Überblick darüber, was es so besonders macht. Wir werden seine Funktionen, Anwendungen und aktualisierten Versionen wie das WirelessHART untersuchen.

Überblick

Das Highway Addressable Remote Transducer (HART) -Protokoll ist eines der beliebtesten offenen Kommunikationsprotokolle, die in der industriellen Automatisierung zum Senden und Empfangen digitaler Informationen über analoge Kabel zwischen intelligenten Geräten und Steuerungssystemen verwendet werden. Dieses Protokoll ist eine Weiterentwicklung des seriellen Kommunikationsprotokolls wie RS485 und eines Ereignisses, das auch in der Industrie häufig verwendet wird.

Es wurde von Emerson in den 1980er Jahren als proprietäres Kommunikationsprotokoll entwickelt, um die Fehler im vorhandenen 4-20-mA-Kommunikationsprotokoll zu beheben, das nur einen Parameter oder Messwert übertragen konnte. Mit HART könnten durch industrielle Automatisierungsbemühungen bidirektionale Kommunikationen erzielt werden, die die Nachteile des 4-20 mA beheben, aber auch seine Infrastruktur beibehalten, da das HART-Protokoll digitale Signale senden kann, indem es analogen Signalen ohne Verzerrung oder Interferenz überlagert wird.

Das oben Gesagte bewirkt die Erzeugung von zwei gleichzeitigen Kommunikationskanälen: dem analogen 4-20-mA-Signal und einem digitalen Signal. Diese Kombination ist der Grund, warum das Protokoll als Hybridprotokoll bezeichnet wird. Typische Anwendungen wie Instrumentierungsgeräte könnten das 4-20-mA-Signal zum Senden des primären Messwerts und das überlagerte digitale Signal zum Senden von Informationen verwenden.

Durch die Unterstützung von 4-20-mA-basierten Geräten konnten Unternehmen ihre Legacy-Hardware weiterhin verwenden. Dies, zusammen mit dem Protokoll, das „offen“ wurde, führte zu einer hohen Akzeptanz des Protokolls, bis es zum De-facto-Standard in der Branche wurde

Arbeitsweise des HART-Kommunikationsprotokolls

Die HART-Kommunikation erfolgt zwischen zwei HART-fähigen Geräten, normalerweise einem Smart-Field-Gerät und einem Steuerungs- oder Überwachungssystem. Wie zuvor beschrieben, übertragen Geräte, die auf dem Protokoll basieren, ein analoges Signal unter Verwendung des bestehenden 4-20-mA-Ansatzes und digitale Signale, indem sie das Signal (als Wechselstromsignal) dem analogen 4-20-mA-Signal unter Verwendung der Bell 202-Frequenzumtastung überlagern (FSK) Standard.

Das FSK-Verfahren umfasst das Überlagern der Sinuswellen von zwei Frequenzen, typischerweise 1200 Hz und 2200 Hz, die die Bits (1 bzw. 0) der gesendeten Daten darstellen. Die Verwendung von FSK stellt sicher, dass der Durchschnittswert der beiden Frequenzen immer Null ist, wodurch sichergestellt wird, dass das analoge Signal nicht vom digitalen Signal beeinflusst wird.

Netzwerkkonfigurationsmodi

Um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden, können Geräte unter dem HART-Protokoll so konfiguriert werden, dass sie in zwei Hauptmodi arbeiten.

1. Punkt-zu-Punkt-Modus
2. Multi-Drop-Modus

1. Punkt-zu-Punkt-Netzwerkmodus

Im Punkt-zu-Punkt-Modus werden die digitalen Signale dem 4–20-mA-Schleifenstrom so überlagert, dass sowohl der 4–20-mA-Strom als auch das digitale Signal zur Übermittlung von Nachrichten zwischen Master und Slave verwendet werden können. Dies stellt die typische Anwendung des Protokolls dar, wobei sekundäre Variablen und Daten, die zu Überwachungs-, Wartungs- und Diagnosezwecken verwendet werden können, über die digitalen Signale ausgetauscht werden, während Steuersignale über die analoge Hälfte des Protokolls gesendet werden. Eine Abbildung der Punkt-zu-Punkt-Netzwerkkonfiguration finden Sie in der folgenden Abbildung.

2. Multi-Drop-Netzwerkmodus

Im Multi-Drop-Netzwerkkonfigurationsmodus können mehrere Geräte auf ähnliche Weise wie adressbasierte Protokolle wie i2c an dasselbe Kabelpaar angeschlossen werden. Die Kommunikation im Multi-Drop-Modus ist vollständig digital, da die Kommunikation über den analogen Schleifenstrom deaktiviert ist, da der Strom durch jedes der Geräte auf einen Mindestwert festgelegt ist, der gerade für den Gerätebetrieb ausreicht (normalerweise 4 mA). Multi-Drop-Netzwerkkonfigurationen werden normalerweise in Überwachungssteuerungsanwendungen verwendet, die wie in Tanklagern und Pipelines weit voneinander entfernt sind. Die Multi-Drop-Netzwerkkonfiguration ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Kommunikationsmodi

Im Allgemeinen muss für die Kommunikation unter dem HART-Protokoll ein Gerät im Netzwerk, normalerweise ein verteiltes Steuerungssystem oder eine SPS, als Master bezeichnet werden, während andere, normalerweise Feldgeräte wie Sensoren oder Aktoren, als Slaves bezeichnet werden.

Die Art und Weise, wie die Slaves mit dem Master kommunizieren, hängt jedoch vom Kommunikationsmodus ab, für den das Netzwerk konfiguriert ist. Ein Netzwerk von HART-Protokoll-kompatiblen Geräten kann für die Kommunikation in zwei Modi eingerichtet werden, nämlich:

1. Request-Response-Kommunikationsmodus
2. Burst-Modus

1. Request-Response-Kommunikationsmodus

Im Request-Response-Kommunikationsmodus übertragen Slave-Geräte nur dann Informationen, wenn eine Anforderung vom Master-Gerät ausgegeben wird. Dieser Modus hat seine Nachteile, insbesondere die verringerte Kommunikationsgeschwindigkeit (2-3 Datenaktualisierungen pro Sekunde), hilft jedoch dabei, das Protokoll einfach und effektiv zu halten und leicht zu implementieren.

2. Burst-Modus

Um Raum für unterschiedliche Anwendungsanforderungen zu schaffen, verfügt das Protokoll über einen anderen Kommunikationsmodus, den so genannten "Burst" -Modus. In diesem Modus können die Slave-Geräte kontinuierlich eine einzelne Information senden, ohne dass wiederholte Anforderungen vom Master erforderlich sind. Dieser Modus bietet eine schnellere Kommunikationsgeschwindigkeit mit bis zu 3-4 Aktualisierungen pro Sekunde und wird normalerweise in Szenarien verwendet, in denen mehr als ein HART-Gerät erforderlich ist, um die Kommunikation über die HART-Schleife abzuhören.

Um die für die meisten industriellen Anwendungen gewünschte externe Überwachung zu ermöglichen, unterstützt jeder Kommunikationsmodus bis zu zwei Master, die als primär und sekundär definiert sind. Der primäre Master, wie in der obigen Abbildung dargestellt, ist normalerweise das Hauptsteuerungs- / Überwachungssystem, während der sekundäre Master normalerweise ein Gerät wie Handheld-Terminals, auch bekannt als HART Communicator, ist , das nur für kurze Zeit mit der HART-Schleife verbunden ist.

Leistungen

Einige der Vorteile des HART-Protokolls gegenüber anderen in seiner Klasse umfassen:

1. Zweiwege-Kommunikation

Die Verwendung eines analogen 4-20-mA-Signals ermöglicht beispielsweise den Informationsfluss nur in eine Richtung (Sender zum Empfänger). Mit HART Communication können Daten in beide Richtungen übertragen werden.

2. Neue Arten von Informationen

Herkömmliche Kommunikationskanäle wie 4-20 mA ermöglichen die Kommunikation nur einer einzelnen Prozessvariablen ohne Validierungsraum. Mit HART können Sie jedoch bis zu 40 zusätzliche Informationen zusammen mit der Prozessvariablen abrufen.

Einige Beispiele für zusätzliche Informationen, die von HART-basierten Geräten abgerufen werden können, sind:

1. Gerätestatus- und Diagnosewarnungen
2. Prozessvariablen & Einheiten
3. Schleifenstrom &% Bereich
4. Grundlegende Konfigurationsparameter
5. Hersteller & Geräte-Tag

Mithilfe einer Kombination dieser zusätzlichen Informationen können HART-Geräte Probleme mit ihrer Konfiguration oder ihrem Betrieb selbst an das Master- / Host-Gerät melden. Dies reduziert den Bedarf an Routineuntersuchungen und kann für die vorausschauende Wartung sehr nützlich sein.

3. Multivariable Geräte

Im digitalen Modus kann ein einzelnes Kabelpaar mehrere Variablen verarbeiten. Beispielsweise könnte ein Sender Eingaben von mehreren Sensoren verarbeiten

4. Unabhängigkeit des Anbieters

Alles, was mit HART zu tun hat, wurde von Emerson an die HART Communications Foundation übergeben, da die Standards offen und nicht spezifisch für einen Anbieter sind. Dies bedeutet, dass keine Gefahr besteht, an begrenzte herstellerspezifische oder regionale "Standards" gebunden zu sein.

5. Angebotsbreite

HART gilt derzeit weltweit als das am weitesten verbreitete Protokoll für die Prozessindustrie. Es ist so beliebt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein industrielles Gerät HART-kompatibel ist, fast 1 beträgt.

6. Interoperabilität

HART-kompatible Geräte und Hostsysteme können unabhängig von Hersteller, Modellen und anderen Kompatibilitäts- / Interoperabilitätsproblemen, von denen Netzwerke betroffen sind, zusammenarbeiten. Selbst Host-Geräte, die nicht für die Verarbeitung der digitalen Informationen von einem HART-Gerät ausgelegt sind, weisen eine gewisse Interoperabilität mit der Kommunikation über das analoge 4-20-mA-Signal auf.

WirelessHART

Das HART-Protokoll hat sich im Laufe der Jahre mit technologischen Fortschritten und einer verbesserten Komplexität von Anwendungsfällen weiterentwickelt. Eines der jüngsten Produkte seiner Entwicklung ist eine neue Technologie namens WirelessHART, die mit der drahtlosen Übertragung von HART-Informationen völlig neue Möglichkeiten bietet.

Es ist das erste standardisierte (IEC62591) drahtlose Kommunikationsprotokoll im Bereich der Prozessautomatisierung. Im Gegensatz zum regulären HART-Protokoll unterstützt es derzeit nur die Kommunikation über das digitale Signal, da die analoge Kommunikation nicht bereitgestellt wird, da kein Verbindungskabel verwendet wird.

Derzeit gibt es zwei verschiedene WirelessHART-Lösungen, darunter:

1. Ein WirelessHART-Adapter zur Verbesserung vorhandener HART-Geräte
2. Ein autarker WirelessHART-Sender.

WirelessHART kann auf vorhandenen kabelgebundenen Instrumenten verwendet werden, um die große Menge an Informationen zu erfassen, die zuvor im Instrument gestrandet waren, und bietet außerdem eine kostengünstige, einfache und zuverlässige Möglichkeit, neue Mess- und Steuerpunkte ohne Verkabelungskosten bereitzustellen.