پروتکل هارت (Highway Addressable Remote Transducer یک استاندارد جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات دیجیتال از طریق سیگنال آنالوگ، بین دستگاههای هوشمند اندازه گیری و سیستمهای کنترل یا نظارتی است. این پروتکل دو جهته است و به دستگاههای موجود در یک بخش (field) این امکان را میدهد که اطلاعات را با سیستمهای میزبان مانند DCS و PLC به اشتراک بگذارند.
تجهیزات دارای قابلیت HART میتوانند سیگنال آنالوگ را با دیتای دیجیتال ترکیب (Composition) کرده و ارسال کنند. این اطلاعات شامل اطلاعات مربوط به اندازهگیریهای فیزیکی مانند دما، فشار، جریان، سطح و دیگر مقادیر اندازه گیری شده میشود. همچنین، این پروتکل امکان ارسال دستورات و تنظیمات به دستگاههای خطوط تولید را فراهم میکند. ویژگیهای مهم پروتکل هارت، علاوه بر ارسال و دریافت دیتای دیجیتال، قابلیت ارسال اطلاعات آنالوگ (سیگنال 4 الی 20 میلیآمپر) را نیز دارد. از این رو دستگاهها که ممکن است قدیمیتر باشند امکان استفاده از اطلاعات آنالوگ را نیز فراهم میکند.
ویژگی های استفاده از پروتکل هارت
استفاده از فناوری HART برای راهاندازی، کالیبراسیون و عیبیابی دستگاههای هوشمند به صورت آسان و قابل اطمینان میباشد. این تکنولوژی امکان برقراری ارتباط بین میزبان و دستگاههای هوشمند را فراهم میکند و دارای مزایای گوناگونی از جمله:
- پیکربندی و تنظیم مجدد دستگاه
- تشخیص دستگاه
- عیبیابی دستگاه
- خواندن مقادیر اضافی اندازهگیری ارائه شده توسط دستگاه
- نظارت بر سلامت و وضعیت دستگاه
ویژگیهای فراوان HART باعث شده که این پروتکل به عنوان یکی از بزرگترین استانداردهای ارتباطی در بیش از 50 میلیون تجهیز ابزار دقیق در سراسر جهان مورد استفاده قرار گیرد. مثلا یک کارخانه با چند صد مخزن و تانکر را در نظر بگیرید که هرکدام نیاز به سطح سنج راداری جدا گانه برای اندازه گیری پیوسته سطح مواد دارند. آیا بهتر نیست تجهیز را با خروجی 4 الی 20 میلی آمپر دارای پروتکل هارت انتخاب کنیم.
اگر تا به حال از تلفن ثابت استفاده کردهاید و با نشانگر شماره تماس گیرنده آشنا هستید، به اندازه نیمی از اهمیت کارهایی که این پروتکل انجام میدهد، آگاهید. پروتکل HART به سیستم اتوماسیون یک کارخانه این امکان را میدهد تا به تجهیزات ابزار دقیق متصل، دستورالعمل ارسال کرده و از طریق ارتباطات داخلی حتی بدون سیم، دادهها را به اشتراک بگذارد.
پروتکل هارت که در اواخر دهه 1980 بر اساس فناوری مشابه Caller ID (نمایشگر تلفن) توسعه یافت، از آن زمان به صورت مداوم بروز شده است. روند این تغییرات به حدیست که امروزه محصولات ابزار دقیق مدرن با قابلیت ارتباطات داخلی بیسیم با امکان متصل شدن به پروتکل هارت به بازار عرضه شده است.
اساس کار پروتکل هارت
پروتکل HART، با استفاده از استاندارد Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK)، امکان ارسال سیگنالهای ارتباطی دیجیتال در فرکانس پایین را در محدوده 4 الی20 میلی آمپر فراهم میکند. این تکنولوژی با تکیه بر دقت و کارایی بالا قادر است عملکرد دستگاههای هوشمند را ارتقا بخشد.
اصل تغییر فرکانس در پروتکل HART
پروتکل ارتباطی هارت که از استاندارد ارتباط تلفنی Bell 202 الهام گرفته است، از اصل تغییر فرکانس (FSK) برای انتقال اطلاعات استفاده مینماید. این سیگنال دیجیتال از دو فرکانس مختلف تشکیل شده که عبارتند از: 1200 هرتز و 2200 هرتز که به ترتیب بیتهای 1 و 0 را نشان میدهند.
امواج سینوسی این دو فرکانس بر روی کابلهای سیگنال آنالوگ 20-4 میلی آمپر قرار میگیرند تا ارتباطات همزمان آنالوگ و دیجیتال را فراهم کنند. با توجه به اینکه مقدار متوسط سیگنال FSK همیشه صفر است، سیگنال آنالوگ 4 الی20 میلیآمپر تحت تأثیر قرار نمیگیرد. این امر سبب میشود که سیگنال ارتباط دیجیتال با زمان پاسخگویی تقریباً 2-3 بار در ثانیه بدون قطع سیگنال آنالوگ عمل کند. حداقل امپدانس حلقه نیز برای برقراری ارتباط میدانی حدود 230 اهم مورد نیاز است.
توانایی برقراری ارتباط دوطرفه این پروتکل، امکان انتقال اطلاعات اضافی بیش از متغیرهای فرآیند معمولی را فراهم میسازد. پروتکل هارت با سرعت 1200bps بدون قطع سیگنال آنالوگ ارتباط برقرار میکند و به یک برنامه میزبان (Master) اجازه میدهد تا دادههای دیجیتال را از یک دستگاه اتوماسیون هوشمند دریافت کند. به دلیل پیوستگی فازی سیگنال دیجیتال FSK، هیچ تداخلی با سیگنال 4 الی20 میلیآمپر وجود ندارد.
فناوری HART به عنوان یک پروتکل Master/Slave عمل میکند؛ به این معنی که یک دستگاه هوشمند میدانی (Slave) تنها زمانی قادر به ارسال و دریافت اطلاعات است که توسط دستگاه Master فراخوانی شود. این پروتکل قابلیت استفاده در حالتهای مختلف مانند اتصال نقطه به نقطه یا چند دستگاه برای انتقال اطلاعات از تجهیزات هوشمند،سیستمهای کنترل و یا کنترل مرکزی را دارد.
برقراری ارتباط هارت تنها بین دو دستگاه دارای این پروتکل انجام میشود، به عبارت دیگر زمانی میتوانید از این پروتکل استفاده نمایید که هم بخش کنترلی و هم بخش سنسور یا ترانسمیتر دارای هارت باشد. همچنین ارتباط این دو فقط با استفاده از کابل مخصوص و با استفاده از سیم کشی استاندارد با روشهای ارائه شده انجام میشود.
پروتکل HART دو کانال ارتباطی همزمان را ارائه میدهد: سیگنال آنالوگ 4-20 میلیآمپر و سیگنال دیجیتال. سیگنال 4-20mA با استفاده از حلقه جریان 4-20mA، که سریعترین و قابل اطمینانترین استاندارد صنعتی است، مقدار اولیه اندازهگیری شده (در مورد ابزار میدانی) را منتقل میکند. همچنین، اطلاعات اضافی دستگاه از طریق یک سیگنال دیجیتالی که روی سیگنال آنالوگ قرار میگیرد، مخابره میشود.
سیگنال دیجیتال حاوی اطلاعاتی مانند: وضعیت دستگاه، مقادیر تشخیص داده شده، مقادیر اندازهگیری یا محاسبه شده و چندین پارامتر دیگر است. این دو کانال ارتباطی با هم یک راه حل ارتباط میدانی کامل، کم هزینه و بسیار قوی را ارائه میدهند که استفاده و پیکربندی آن آسان میباشد.
شبکه HART و انواع پیکربندیهای ارتباطی
دستگاههای HART قابلیت کار در یکی از دو حالت پیکربندی شبکه، یعنی نقطه به نقطه و چند نقطه را دارد.
پیکربندی نقطه به نقطه
در حالت نقطه به نقطه، از سیگنال سنتی 4 تا 20 میلیآمپر برای انتقال اطلاعات یک متغیر فرآیند استفاده میشود. در این حالت، متغیرهای فرآیند اضافی، پارامترهای پیکربندی و دادههای دیگر دستگاه به صورت دیجیتالی با استفاده از پروتکل HART انتقال مییابند. در واقع، سیگنال آنالوگ 4 تا 20 میلیآمپر تحت تأثیر سیگنال HART قرار نمیگیرد و میتواند بهصورت عادی برای کنترل استفاده شود. این حالت به مدیریت و کنترل فرآیند با دادههای دیجیتالی امکان میدهد و کاربردهای گستردهای دارد.
پروتکل HART به تمامی ارتباطات دیجیتالی با دستگاههای میدانی در پیکربندی شبکه نقطه به نقطه اجازه متصل شدن میدهد. این ابزار قدرتمند به کاربران امکان میدهد تا در عملیات، راهاندازی، تعمیر، نگهداری و همچنین اهداف اندازهگیری از دادههای سنسورها استفاده کنند، که به طور گسترده در صنایع مختلف مورداستفاده قرار میگیرد.
پیکربندی چند نقطه
در صنعت ابزاردقیق، پیکربندی چندنقطه ای یکی از روشهای حیاتی برای ارتباط بین دستگاههای مختلف در یک محیط فرآیندی با هارت است. این مقاله به بررسی اصول و کاربردهای پیکربندی چندسوزانه بهویژه در مواقعی که نیاز به ارتباط همزمان با چندین دستگاه در یک شبکه وجود دارد، میپردازد. بدیهی است که در یک سیستم چند نقطه ای، دستگاههای مختلف به یکدیگر متصل شده و توانایی تبادل اطلاعات را دارند. یکی از مزایای این پیکربندی، امکان استفاده از یک دستگاه Slave برای ارسال پیوسته پیام های استاندارد هارت است که در ادامه به تفصیل بررسی خواهد شد.
از مزایای این پیکربندی میتوان به افزایش کارایی، پایداری، قابلیت اطمینان و سهولت در پیکربندی است. در ادامه همه این موارد را شرح میدهیم.
پیکربندی چند نقطه ای این امکان وجود دارد که چندین سنسور یا ترانسمیتر را همزمان کنترل کنیم. ونیز به سیستم اجازه میدهد تا به طور مداوم با دستگاههای خط تولید ارتباط برقرار کرده و اطلاعات را بهروز نگه دارد. همچنین استفاده از حالت چند نقطه، نیاز به تنظیمات پیچیده را کاهش میدهد. این امر به کاربران اجازه میدهد براحتی و با سهولت بیشتری سیستم را پیکربندی کرده و به بهروری مطلوب دست یابند.
انواع حالتهای ارتباطی پروتکل هارت
حالت master/slave
در این حالت، پروتکل ارتباطی هارت به عنوان یک سیستم master-slave عمل میکند. این یعنی در هر لحظه، هر Slave (سنسور) فقط از طریق فراخوان یک master اصلی قادر به ارسال دیتا است. همچنین دو دستگاه master قادر به اتصال به هر حلقه HART هستند. master اصلی ممکن است یک سیستم کنترل توزیع شده (DCS)، کنترل کننده منطقی قابل برنامهریزی (PLC) یا یک کامپیوتر شخصی (PC) باشد. master ثانویه میتواند یک ترمینال دستی یا یک رایانه شخصی دیگر باشد. دستگاههای Slave شامل ترانسمیتر ها، محرکها و کنترل کنندههایی هستند که به دستورات master اصلی یا ثانویه پاسخ میدهند.
ارتباط پشت سر هم یا Burst Mode
بعضی از دستگاههای HART حالت ارتباط پشت سر هم را پشتیبانی میکنند. این حالت ارتباط سریعتری را فراهم میکند (۳ تا ۴ بهروزرسانی داده در ثانیه). در این حالت، master به slave دستور میدهد که یک پیام پاسخ استاندارد HART (مثل مقدار متغیر فرآیند) را به طور مداوم پخش کند. تا زمانی که master به Slave دستور نداده این ارتباط متوقف نمیشود.
مزایا و معایب حالت های ارتباطی
حالت master/slave برای استفاده عادی و کنترل یکپارچه میباشد، در حالی که حالت پشت سر هم برای سرعت بالا و پاسخگویی سریع به نیازهای محیطهایی با تغییرات زیاد مناسب است.
انتخاب مناسب بین این حالتها به افزایش کارایی و کنترل دقیقتر در فرآیندهای صنعتی کمک میکند.
