پروتکل هارت (HART)
نیاز به ارتباط هوشمند در بسیاری از شبکه های صنعتی موجب گستردگی استفاده از پروتکل های ارتباطی مانند هارت (HART)، پروفیباس (PROFIBUS)، فیلدباس (Fieldbus) و مدباس (Modbus) شده است. در واقع شرایط سیستم کنترل توزیع شده (DCS) ایجاب میکند که برای کاهش هزینه و ارتباط و کنترل آسان تجهیزات از ایجاد شبکه و استفاده از پروتکل های ارتباطی در آن استفاده شود.
در این مقاله قصد داریم یکی از پروتکل های پرکاربرد صنعتی با نام هارت (HART) را معرفی کنیم و روشهای ارتباط اجزاء تحت این پروتکل را مورد بررسی قرار دهیم. اما برای درک بهتر کارایی و مزیت استفاده از این پروتکل، بهتر است ابتدا موضوع حلقه های جریان به صورت مختصر بررسی شود.
حلقه جریانی 4 تا 20mA
هریک از تجهیزات ابزار دقیق برای ارتباط و انتقال اطلاعات در یک پلنت صنعتی دارای یک سیگنال هستند که از طریق منبع تغذیه تامین میگردد. پرکاربردترین سیگنال مورد استفاده در صنعت سیگنال جریانی 4 تا 20mA است. در کنترل فرایند برای اندازه گیری و اعمال اکشن در هرکدام از تجهیزات احتیاج به یک سیگنال 4 تا 20mA است. این به این معنی است که برای هر تجهیزی مثل هرکدام از ترانسمیترها و یا پوزیشنرها باید یک حلقه جریان 4 تا 20mA برقرار شود. این کار در یک پلنت بزرگ صنعتی که تعداد بسیاری از انواع سنسورها، ترانسمیترها، شیرهای کنترلی و تجهیزات مانیتورینگ وجود دارد، نیازمند تعداد سیم های بسیار زیاد و کابل کشی بسیار هزینه بر است که متناسب با آن ممکن است احتمال ایجاد نویز و خرابی در سیستم کنترلی نیز افزایش یابد. از همین رو برای کنترل و بهره وری بهینه، جلوگیری از بروز مشکلاتی همچون نویز و خرابی در سیستم کنترل، کاهش هزینه و کاهش مصرف انرژی، از DCS و شبکه های صنعتی تحت پروتکل های گفته شده استفاده میشود.
پروتکل هارت (HART)
هارت یا HART مخفف عبارت Highway Addressable Remote Transducer (یا میتوان گفت مبدل ریموت بزرگراهی آدرس پذیر) است. این پروتکل با استاندارد بل 202 ویا همان FSK (Frequency-Shift Keying)، عمل میکند. این استاندارد در اواخر 1970 میلادی توسط بل لبز (Bell lebs) اختراع گردید و همانطور که از نام آن مشخص است از شیفت فرکانس برای آدرس دهی و انتقال اطلاعات استفاده میکند. امروزه ID caller های تلفن ثابت نیز از این استاندارد استفاده میکنند.
در شبکه های صنعتی به طور کلی هارت به پروتکلی اطلاق میشود که وظیفه آن فرستادن و گرفتن اطلاعات دیجیتال در یک حلقه آنالوگ جریانی است. دستگاه های موجود در این حلقه جریانی، تمام تجهیزات هوشمند کنترلی، سیستم های مانیتورینگ و ارتباط دهنده های دستی (Hand held communicator) میباشند.
اگر پروتکل HART را بخواهیم به طور دقیق توضیح دهیم، یک ارتباط دو طرفه در بستر جریان آنالوگ است که بین تجهیزات فیلد و سیستم میزبان (DCS/PLC و یا Hand held communicator) اطلاعات را انتقال میدهد. این سیستم میزبان می تواند هرگونه نرم افزار کاربردی از ارتباط دهنده های دستی تکنسین ها یا یک لپ تاپ تا پلنت کنترل فرایند، پلتفرم های ایمنی و یا سیستم های دیگر مورد استفاده در کنترل صنعتی باشد.
دلایل زیادی برای استفاده از میزبان یا Host وجود دارند که عبارتند از:
- پیکربندی (Configuration) دستگاه ها و یا بازپیکربندی (Re-Configuration) آنها
- عیب یابی دستگاه ها
- خواندن اندازه گیری های اضافی در تجهیزات
- اعلام وضعیت سلامت دستگاه ها
- دلایل بسیار دیگر
نحوه عملکرد پروتکل هارت
همانگونه که در قسمت های قبلی گفته شد این پروتکل تحت استاندارد بل 202 براساس FSK عمل میکند. سیگنال دیجیتال در این پروتکل بین دو فرکانس 1200 Hz و 2200 Hz که به ترتیب معرف بیت 1 و 0 هستند، کار میکند. موج سینوسی در این فرکانس ها روی سیگنال جریان مستقیم 4 تا 20 mA در سیم قرار میگیرند. این موج از آنجایی که دارای میانگین صفر و دامنه کوچکی است، روی سیگنال 4 تا 20 mA ارسالی از ترانسمیتر تاثیری نمیگذارد. زمان پاسخ پروتکل ارتباط هارت تقریبا برابر 2 تا 3 آپدیت دیتا بر ثانیه است. همچنین یک حداقل امپدانس حلقه معادل 230W برای این ارتباط نیاز است. باید خاطر نشان کرد که این پروتکل ارتباطی در 1200 bps به اپلیکیشن دستگاه میزبان اجازه میدهد که بیشتر از 2 آپدیت بر ثانیه از دستگاه هوشمند فیلد دریافت کند.
پروتکل هارت یک پروتکل ارباب برده (Master/Slave) است به این معنی که تا زمانی که از Master فرمانی صادر نشده Slave پاسخی صادر نمیکند. این پروتکل در مدهای مختلفی مانند نقطه به نقطه (Point to Point) و یا مولتی دراپ (Multidrop) اطلاعات را از ابزارهای فیلد، مانیتورینگ و کنترل دریافت کند و یا به آن ها اطلاعات را بفرستد و این ارتباط از طریق کابل کشی استاندارد بین دستگاه های هوشمند برقرار می شود.
شبکه هارت (HART Network)
همانطور که در قسمت قبلی گفته شد، دستگاه های هارت میتوانند در دو مد Point to Point و یا Multidrop عمل کنند. در ادامه به توضیح هریک از آن ها میپردازیم.
مد نقطه به نقطه (Point to Point Mode)
در این مد از عملکرد این پروتکل، یک سیگنال رایج 4 تا 20 mA آنالوگ برای تبادل اطلاعات مربوط به یک متغیر کنترلی بکار میرود و متغیرهای دیگر، پارامترهای پیکربندی و دیتاهای دیگری از قبیل راه اندازی، نگهداری و تشخیص، به صورت دیجیتالی با استفاده از پروتکل هارت منتقل می شوند.
در پروتکل های ارتباطی هارت امکان استفاده از چندین Master یا دستگاه میزبان وجود دارد. مثلا همزمان با دستگاه های کنترلی از یک ارتباط دهنده دستی به عنوان مستر ثانویه (Secondary Master)، بدون تداخل با مستر اولیه (Primary Master)، میتوان استفاده کرد.
پیکربندی مولتی دراپ (Multidrop Configuration)
در پیکربندی مولتی دراپ فقط یک جفت سیم و منبع تغذیه کمکی احتیاج است و میتوان با آن تا 15 دستگاه را با ارتباط هارت پیکربندی کرد. در این مد تمام مقادیر فرایندی به صورت دیجیتالی انتقال میابد. در این مد تمام تجهیزات فیلد آدرس دهی میشوند و سیگنال های الکتریکی در مقدار مینیمم یعنی 4 mA نگه داشته میشود.
برخی از دستگاه های هوشمند هارت دارای یک آپشن به نام Burst Mode هستند که در این مد نرخ انتقال داده بیشتر از حد معمول (3 الی 4 آپدیت بر ثانیه) هستند.
مزایای استفاده از پروتکل هارت
با توجه به شناختی که تاکنون در مورد این پروتکل پیدا کردیم، دانستن مزایای این نوع ارتباط بسیار ساده است. افرادی که در صنعت با هردو روش حلقه های کنترلی معمولی و پروتکل ارتباطی هارت کار کرده اند میدانند که با وجود این روش چقدر کالیبراسیون، تست و عیب یابی با دستگاه های ارتباط دهنده دستی (Handheld communicator) راحت میشود و این ارتباط توسط تمام دستگاه های الکترونیکی موجود در سیستم کنترل و مانیتورینگ پشتیبانی میگردد.
تکنولوژی هارت به شما کمک میکند تا:
- قدرت ارسال یک مجموعه کامل از داده ها برای بهبود عملکرد سیستم بدست آید
- هشدار زودهنگام برای تغییرات عملکرد، تغییرات در تولید و عملکرد فرایند ایجاد شود
- سرعت بالای عیب یابی و تحلیل خطا بدست آید
- استراتژی های اتوماسیون و کنترل در حلقه ها به صورت پیوسته ارزیابی شود
- دسترسی پذیری در سیستم افزایش میابد.
- هزینه های موجود کاهش یابد.
- سیم کشی و احتمال خطا و خطرات احتمالی کم شود.
همچنین در کاربردهای پیشرفته این پروتکل، حلقه ارتباطی شامل سیگنال 4 تا 20 معمول و سیگنال دیجیتالی هارت از طریق یک سیم قابل انتقال بوده و تداخلی در عملکرد سیگنال جریانی ایجاد نمیشود. در این کاربردها آپشن کنترل PID روی ترنسمیترهای هوشمند دارای پروتکل هارت وجود دارد و سیگنال خروجی کنترل PID به جای سیگنال معمول 4 تا 20 از ترانسمیترها خارج میشود و میتواند به صورت مستقیم ولو کنترلی و دیگر تجهیزات را تحت شبکه کنترل کند.
