Protocollo HART: architettura, funzionamento e sue applicazioni

Attualmente in automazione industriale , vengono utilizzati diversi tipi di dispositivi da campo intelligenti, ma il monitoraggio di ogni dispositivo è molto difficile all'interno del settore da parte delle autorità o dei tecnici sul campo. Quindi, in generale, questo tipo di monitoraggio si ottiene con dispositivi intelligenti, che consentono il trasferimento di dati tra diversi dispositivi collegati all'interno e all'esterno del settore al principale sistema di monitoraggio. Quindi, il protocollo HART è stato introdotto nel 1980 e si basa sugli standard Bell 202. Questo protocollo è diventato uno standard del settore, quindi utilizzato nell'automazione industriale. Quindi, questo articolo discute una panoramica del Protocollo HART – lavorare con le applicazioni.

Che cos'è il protocollo HART?

Il termine HART nel protocollo HART sta per 'Highway Addressable Remote Transducer', un protocollo standard aperto utilizzato in tutto il mondo per trasmettere e ricevere dati digitali con cablaggio analogico tra dispositivi intelligenti e sistemi di controllo . Questo protocollo è molto popolare, quindi oltre 30 milioni di dispositivi in ​​tutto il mondo sono alimentati con il protocollo HART. Questo protocollo viene utilizzato per stabilire la comunicazione tra i sistemi host e i dispositivi da campo intelligenti nelle industrie.

Il protocollo HART ha guadagnato più popolarità grazie alla sua capacità di supportare il vecchio protocollo analogico basato su 4-20 mA, pur includendo i principali vantaggi della strumentazione digitale intelligente.
Questo protocollo descrive la tecnologia di connessione fisica e anche i comandi utilizzati da diverse applicazioni. I comandi Hart sono di tre tipi: Universal, Common Practice e Device Specific.
I comandi di tipo universale sono implementati attraverso tutti i dispositivi HART. Questi comandi vengono utilizzati principalmente da un controller per identificare un dispositivo da campo e per leggere i dati di processo.

I comandi di tipo Common Practice vengono utilizzati per descrivere diverse funzioni normalmente applicabili solo ai dispositivi da campo. Questi dispositivi includono comandi per modificare la gamma, scegliere le unità ingegneristiche ed eseguire autotest.

I comandi di tipo specifici del dispositivo non sono gli stessi per tutti i dispositivi. Questi comandi eseguono funzioni di configurazione e modifica uniche. Quindi, è molto significativo notare che quando i dispositivi di vari produttori implementano funzionalità simili esternamente. Ad esempio, la misurazione della pressione differenziale può includere hardware completamente diverso e anche diversi set di comandi specifici del dispositivo.

Architettura del protocollo HART

Il protocollo HART opera in due configurazioni di rete come punto a punto e multipunto, discusse di seguito.

Configurazione di rete punto a punto

Nella configurazione di rete punto a punto, per comunicare una singola variabile di processo, viene utilizzato il segnale fisso 4–20 mA mentre le variabili di processo extra e i parametri di progettazione vengono trasmessi digitalmente con il protocollo HART. Pertanto, il segnale analogico 4–20 mA non viene modificato dal segnale HART e può essere utilizzato in modo normale. Il segnale digitale di comunicazione HART fornisce il diritto di accesso a variabili secondarie e altri dati possono essere utilizzati per scopi di manutenzione, messa in servizio, operazioni e diagnostica.

Configurazione di rete multidrop

Questa configurazione di rete consente di collegare vari dispositivi con un'unica coppia di fili. La comunicazione all'interno di questa configurazione è completamente digitale poiché la comunicazione attraverso la corrente del circuito analogico è disabilitata poiché la corrente in ogni dispositivo è fissata a un valore minimo sufficiente per il funzionamento del dispositivo normalmente 4 mA.

Come funziona la comunicazione HART?

Il protocollo di comunicazione HART utilizza lo standard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) per sovrapporre segnali digitali rappresentati con due diverse frequenze come 1.200 Hz e 2.200 Hz. Qui, la frequenza di 1.200 Hz rappresenta il bit 1 mentre la frequenza di 2.200 Hz rappresenta il bit 0 corrispondentemente.

Quando le onde sinusoidali con queste frequenze si posizionano su cavi di segnale analogico CC, si verifica il trasferimento dei dati. Pertanto, durante questo trasferimento di dati, il segnale 4-20 mA non viene influenzato a causa del valore standard di un segnale di keying di spostamento della frequenza equivalente a zero. Questo protocollo supporta contemporaneamente due canali di comunicazione come segnale analogico 4-20 mA e segnali digitali.

Il segnale analogico comunica il valore misurato primario con l'anello di corrente 4-20 mA mentre i dati aggiuntivi del dispositivo vengono comunicati tramite un segnale digitale sovrapposto al segnale analogico.
Il segnale digitale include le informazioni del dispositivo come le condizioni del dispositivo, la diagnostica, i valori calcolati, ecc. Quindi, insieme, i due canali di comunicazione offrono una soluzione di comunicazione molto robusta ea basso costo che è molto semplice da utilizzare e configurare. Questo protocollo è spesso chiamato protocollo ibrido perché combina sia la comunicazione analogica che quella digitale.

La tecnologia HART si differenzia come protocollo master/slave perché il dispositivo slave funziona solo dopo che ad esso è collegato un dispositivo master. Qui, il dispositivo slave è un dispositivo intelligente e il dispositivo master è un computer.

Modalità del protocollo HART

Generalmente, per la comunicazione all'interno del protocollo HART, il dispositivo utilizzato all'interno della rete è un PLC o un sistema di controllo distribuito che viene scelto come Master mentre altri dispositivi di campo sono considerati slave come sensori o attuatori. Ma qui la comunicazione tra master e slave dipende principalmente dalla modalità di comunicazione a cui è predisposto il sistema. La rete del protocollo HART comunica in due modalità come la modalità master/slave e la modalità burst.

Modalità Master/Slave

Questa modalità è anche nota come modalità richiesta-risposta. In questo tipo di modalità, i dispositivi slave trasmettono semplicemente i dati una volta che viene emessa una richiesta dal dispositivo Master. Per ogni loop HART possono essere collegati due master. Quindi il master primario è normalmente un DCS (sistema di controllo distribuito), un PC (personal computer) o un PLC (controllore logico programmabile) mentre il master secondario è un altro PC o un terminale palmare. I dispositivi slave sono attuatori, controller e trasmettitori che reagiscono ai comandi dei dispositivi master.

Modalità burst

Alcuni dispositivi abilitati al protocollo HART supportano semplicemente questa modalità di comunicazione. Questa modalità consente una comunicazione più rapida, ad esempio da tre a quattro aggiornamenti di dati al secondo. Il dispositivo master in questa modalità indica al dispositivo slave di trasmettere continuamente un tipico messaggio di risposta HART. Il master riceve il messaggio ad alta velocità finché non ordina allo slave di smettere di scoppiare. Questa modalità è applicabile quando il dispositivo HART di cui sopra è necessario per comunicare dall'HART Loop.

Protocollo HART vs Modbus

La differenza tra il protocollo HART e Modbus include quanto segue.

Vantaggi

Il vantaggi del protocollo HART include il seguente.

• I dispositivi abilitati dal protocollo HART consentono semplicemente agli utenti di fare in modo che il dispositivo utilizzi i dati migliori per ottimizzare le proprie capacità operative.
• Riduce i tempi di fermo dovuti al guasto delle apparecchiature riconoscendo i potenziali problemi prima che si verifichino.
• Riduce i costi di inventario e la manutenzione dei dispositivi.
• Riduce i tempi di attesa per il riconoscimento e la risoluzione dei problemi.
• Migliora i livelli di integrità della sicurezza utilizzando la diagnostica avanzata.
• I vantaggi della scelta del protocollo HART includono principalmente; capacità digitale, capacità analogica, disponibilità e interoperabilità.
• Questo protocollo può essere utilizzato anche con diversi dispositivi e sensori.
• I dispositivi basati sul protocollo HART sono ampiamente accettati nelle industrie.
• Questo protocollo aumenta la disponibilità del sistema, la regolarità di avanzamento, ecc.

Svantaggi

Il svantaggi del protocollo HART include il seguente.

• Il segnale digitale all'interno della trasmissione HART è piuttosto lento.
• Per una disposizione multi-drop, il segnale analogico non è accessibile e il n. di dispositivi che possono dividere la linea di trasmissione è limitato.
• Può monitorare una sola variabile di processo in qualsiasi momento.
• Questo tipo di protocollo è piuttosto lento rispetto ad altri sistemi Fieldbus come Profibus e Foundation Fieldbus. Quindi questo tempo di risposta lento causa alcune difficoltà all'interno di alcune applicazioni industriali.
• In genere, la velocità del protocollo HART è sufficiente per semplici sistemi di monitoraggio laddove le variabili di processo non variano rapidamente.

Applicazioni

Il applicazioni del protocollo HART include il seguente.

• Il protocollo HART è utilizzato in tutto il mondo per trasmettere e ricevere dati digitali con cablaggio analogico tra dispositivi intelligenti e sistemi di controllo.
• Questo è un protocollo molto popolare utilizzato nell'automazione industriale.
• Questo protocollo serve principalmente per l'analisi dei dispositivi intelligenti.
• Questo è ampiamente utilizzato nei sistemi di processo e di strumentazione.
• Questo tipo di protocollo di comunicazione è ideale per strumenti multivariabili che includono misuratori di portata massica ovunque sia possibile comunicare flusso volumetrico, flusso massico, densità e temperatura verso il sistema di controllo tramite un unico cavo.
• Questo protocollo è progettato principalmente per l'uso in applicazioni di controllo e misurazione dei processi industriali.
• Il protocollo HART è utilizzato principalmente nelle industrie di processo per la comunicazione tra diversi dispositivi.

Quindi, questo è un funzionamento del protocollo HART . Questo protocollo è lo standard globale utilizzato per la trasmissione e la ricezione di dati digitali attraverso cavi analogici tra dispositivi da campo intelligenti, nonché sistemi di monitoraggio o controllo come i sistemi DCS e PLC. Questo protocollo di comunicazione bidirezionale fornisce semplicemente il diritto di accesso a dati aggiuntivi tra il campo e il controller host che vanno da un dispositivo portatile a un sistema di gestione delle risorse o al controller dell'impianto. Ecco una domanda: qual è la forma completa del protocollo HART?