پروتکل هارت HART چیست و چگونه کار می‌کند؟ راهنمای کامل

در یک کارخانه‌ی وسیع با صدها سنسور و ترانسمیتر که بشکل دقیقی اطلاعات محیطی را جمع‌آوری کرده و به مرکز کنترل ارسال می‌کنند، مدیریت دستگاه‌ها و نظارت دقیق بر اطلاعات آن‌ها بدون ایجاد پیچیدگی ضروری است. اینجاست که پروتکل هارت HART با ترکیب تکنولوژی‌های آنالوگ و دیجیتال وارد می‌شود. در ادامه این مقاله از آداک فرآیند سپهر به بررسی قابلیت‌ها، ساختار و کاربردهای این پروتکل پرداخته و توضیح می‌دهیم که چرا پروتکل به یکی از پرکاربردترین استانداردهای ارتباطی صنعتی در جهان تبدیل شده است.

پروتکل هارت HART چیست؟

پروتکل هارت (Highway Addressable Remote Transducer) یک استاندارد ارتباطی پیشرفته برای تبادل داده‌های دیجیتال بر روی سیگنال‌های آنالوگ است. این پروتکل امکان ارتباط دوطرفه بین دستگاه‌های هوشمند و سیستم‌های نظارتی مانند DCS و PLC را فراهم می‌کند. پروتکل HART به دستگاه‌های صنعتی اجازه می‌دهد تا اطلاعاتی نظیر داده‌های سنسوری مانند دما، فشار، جریان، و سطح را بشکل دقیق و همزمان با داده‌های کنترلی به سیستم مرکزی انتقال دهند.

دستگاه‌های دارای قابلیت HART می‌توانند سیگنال‌های آنالوگ را با داده‌های دیجیتال ترکیب کرده و ارسال کنند. این اطلاعات شامل داده‌های مرتبط با اندازه‌گیری‌های فیزیکی (مانند دما، فشار، جریان و سطح مواد) است و همچنین این پروتکل امکان ارسال دستورات کنترلی به دستگاه‌های تولیدی را فراهم می‌کند.

ویژگی های استفاده از پروتکل هارت

استفاده از فناوری HART برای راه‌اندازی، کالیبراسیون و عیب‌یابی دستگاه‌های هوشمند بصورت 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 و عیب یابی دستگاه
• خواندن مقادیر اضافی اندازه‌گیری ارائه شده توسط دستگاه
• نظارت بر سلامت و عملکرد دستگاه

با استفاده از این پروتکل امکان دسترسی آسان به تنظیمات دستگاه و تغییر آن‌ها در زمان‌های مختلف وجود دارد. همینطور قابلیت شناسایی مشکلات دستگاه‌ها بدون نیاز به قطع فرآیند امکان پذیر هست. در نهایت امکان ردیابی وضعیت عملکرد و شرایط دستگاه‌ها بصورت لحظه‌ای نیز برایتان میسر است.

ویژگی‌های فراوان HART باعث شده که این پروتکل بعنوان 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.

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 بصورت مداوم بروز شده است. روند این تغییرات به حدیست که امروزه محصولات ابزار دقیق مدرن با قابلیت ارتباطات داخلی بی‌سیم نیز با امکان متصل شدن به پروتکل هارت، به بازار عرضه شده است.

اساس کار پروتکل هارت

پروتکل HART از فناوری Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کند. این تکنولوژی از دو فرکانس 1200 هرتز و 2200 هرتز برای ارسال بیت‌های 1 و 0 بهره می‌گیرد و به این ترتیب داده‌های دیجیتال را روی سیگنال آنالوگ 4 تا 20 میلی‌آمپر ارسال می‌کند. این روش باعث می‌شود که داده‌های دیجیتال بدون تداخل با سیگنال اصلی آنالوگ منتقل شوند و به این ترتیب اطلاعات دقیقی از دستگاه‌ها به سیستم مرکزی برسد.

پروتکل HART در حالت Master/Slave کار می‌کند، یعنی دستگاه‌های میدانی (Slave) تنها زمانی اطلاعات ارسال می‌کنند که دستگاه مرکزی (Master) از آن‌ها درخواست کند. این امکان باعث بهبود کارایی و کاهش مصرف منابع می‌شود.

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 بترتیب 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. بخاطر پیوستگی فازی سیگنال دیجیتال FSK، هیچ تداخلی با سیگنال 4 الی20 میلی‌آمپر وجود ندارد.

فناوری HART بعنوان یک پروتکل Master/Slave عمل می‌کند؛ بدین 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، بعبارت 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.

انواع شبکه‌های HART و پیکربندی‌های ارتباطی

پروتکل HART به دو پیکربندی اصلی شبکه پشتیبانی می‌کند: پیکربندی نقطه به نقطه و پیکربندی چند نقطه‌ای.

پیکربندی نقطه به نقطه

در این حالت، دستگاه‌ها بشکل مجزا با یک سیگنال 4 تا 20 میلی‌آمپر متصل می‌شوند و داده‌ها را به دستگاه‌های کنترل یا نظارتی انتقال می‌دهند. این روش برای ارتباط ساده و کنترل مستقیم فرآیندها مناسب است و از آن برای کاربردهایی که نیاز بدقت بالا و دسترسی سریع به داده‌ها دارند، استفاده می‌شود.

پروتکل هارت 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 بطور گسترده در صنایع مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد.

پیکربندی چند نقطه

پیکربندی چند نقطه‌ای به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد که در یک شبکه بحالت همزمان با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این روش برای محیط‌های صنعتی پیچیده، که نیاز به ارتباط همزمان چند دستگاه با سیستم‌های مرکزی دارند، کاربرد دارد. از مزایای این پیکربندی میتوان به افزایش کارایی، پایداری، قابلیت اطمینان و سهولت در پیکربندی است.

پیکربندی چند نقطه ای این امکان وجود دارد که چندین سنسور یا ترانسمیتر را همزمان کنترل کنیم. ونیز به سیستم اجازه می‌دهد تا بطور مداوم با دستگاه‌های خط تولید ارتباط برقرار کرده و اطلاعات را بروز 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

پروتکل HART دو حالت ارتباطی اصلی ارائه می‌دهد: حالت Master/Slave و حالت ارتباط پشت سر هم (Burst Mode).

حالت master/slave

در این حالت، هر دستگاه Slave تنها زمانی که توسط دستگاه Master فراخوانی می‌شود، اقدام به ارسال اطلاعات می‌کند. این روش برای مدیریت و نظارت پیوسته بر فرآیندها مناسب است و در بیشتر برنامه‌های کاربردی صنعتی استفاده می‌شود.

ارتباط پشت سر هم یا Burst Mode

در این حالت، دستگاه Slave بشکل مداوم اطلاعات خاصی را به دستگاه Master ارسال می‌کند. این حالت برای شرایطی که نیاز به ارسال سریع داده‌ها و پاسخ‌دهی بالا وجود دارد، بسیار کارآمد است. حالت Burst Mode، نرخ بروزرسانی داده‌ها را تا ۳ تا ۴ بار در ثانیه افزایش می‌دهد.

مزایا و کاربردهای پروتکل HART

پروتکل HART یک راهکار کامل و کم‌هزینه برای ارتباط میدانی است که علاوه بر انتقال داده‌های فرآیندی، امکان ارسال داده‌های اضافی مانند وضعیت و تنظیمات دستگاه‌ها را فراهم می‌کند. از مزایای اصلی این پروتکل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ارتباط دوطرفه و انعطاف‌پذیری بالا
• کاهش هزینه‌های نگهداری و نصب
• سازگاری با دستگاه‌های قدیمی‌تر
• پشتیبانی از سیستم‌های نظارتی پیشرفته

ارتباط دوطرفه و انعطاف‌پذیری بالا در هارت یعنی قابلیت انتقال داده‌های دوطرفه را دارد که به بهبود مدیریت دستگاه‌ها و فرآیندهای تولید کمک می‌کند. با پشتیبانی از سیستم‌های چند نقطه‌ای، نیاز به کابل‌کشی‌های پیچیده و پرهزینه کاهش می‌یابد. پروتکل HART امکان استفاده از دستگاه‌های آنالوگ و قدیمی‌تر را فراهم می‌کند و آن‌ها را با دستگاه‌های مدرن دیجیتال سازگار می‌سازد. این پروتکل اطلاعات جامع و دقیق را برای سیستم‌های DCS و PLC ارسال می‌کند و به مطلوبسازی عملکرد سیستم‌های نظارتی کمک می‌کند.

در یک سیستم صنعتی که از پروتکل HART استفاده می‌شود، دستگاه‌هایی مانند فلومتر براحتی می‌توانند داده‌های جریان را به سیستم‌های مرکزی منتقل کنند. این پروتکل امکان ارسال اطلاعات دیجیتال را بدون نیاز به کابل‌کشی اضافی فراهم کرده و با ارائه گزارش‌های دقیق، به کاربران کمک می‌کند تا عملکرد فلومترها را از راه دور کنترل و در صورت لزوم تنظیم کنند. همچنین، استفاده از HART در فلومترها به اپراتورها این امکان را می‌دهد که بدون نیاز به توقف فرآیند، تنظیمات لازم را اعمال کنند و از صحت عملکرد تجهیزات اطمینان داشته باشند.

در سیستم‌های صنعتی که با مواد شیمیایی و گازهای خطرناک سروکار دارند، دتکتورهای گاز نقش حیاتی در ایمنی محیط کار ایفا می‌کنند. با استفاده از پروتکل هارت دتکتور گازی می‌تواند بصورت دقیق داده‌های مربوط به غلظت گازها را به سیستم‌های نظارتی ارسال کند. این پروتکل امکان پایش پیوسته دتکتورهای گاز را فراهم کرده و به تیم‌های ایمنی این امکان را می‌دهد که از راه دور وضعیت تجهیزات را بررسی کنند، هشدارها را بموقع دریافت کنند و در صورت لزوم، اقدامات اصلاحی را انجام دهند. هارت علاوه بر انتقال اطلاعات دیجیتال، قابلیت عیب‌یابی و کالیبراسیون دتکتورهای گاز را نیز دارد، که این امر باعث افزایش ایمنی و ایده‌ال سازی سیستم می‌شود.

هارت این امکان را فراهم می‌کند که اطلاعات ترانسمیتر فشار بنحوی دقیق و بدون نیاز به کابل‌کشی اضافی به سیستم‌های نظارتی منتقل شود. این پروتکل به کاربران اجازه می‌دهد که وضعیت ترانسمیتر فشار را از راه دور پایش کرده و در صورت نیاز، تنظیمات لازم را انجام دهند.

خلاصه

پروتکل HART یکی از مهم‌ترین استانداردهای ارتباطی در صنعت ابزاردقیق است که امکان تبادل داده‌های دیجیتال و آنالوگ را بصورت همزمان فراهم می‌کند. با ویژگی‌های قابل اعتمادی که این پروتکل ارائه می‌دهد، از آن در انواع صنایع و فرآیندهای تولیدی استفاده می‌شود. از کاربردهای آن می‌توان به صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، پالایشگاه‌ها و صنایع غذایی اشاره کرد، که نیاز به نظارت دقیق و پیوسته بر تجهیزات فرآیندی دارند. با این پروتکل، فرآیندهای صنعتی به سطح جدیدی از اتوماسیون و دقت دست یافته‌اند و این امکان فراهم شده که سیستم‌های تولیدی بشکلی کارآمدتر و اقتصادی‌تر عمل کنند.

سوالات متداول