Introduzione a hart - protocollo di comunicazione con trasduttore remoto indirizzabile su autostrada

I vantaggi di far dialogare due macchine (o componenti al loro interno) erano evidenti per gli esperti di automazione industriale e controllo, molto prima che l'Internet of Things (IoT) diventasse mainstream. I valori in un sensore di temperatura nel cuore di un albero a gomiti che invia misurazioni per controllare il relè di azionamento del motore ecc. Erano chiari e uno dei protocolli di comunicazione utilizzati per raggiungere tale obiettivo era il protocollo HART.

Con oltre 30 milioni di dispositivi basati su di esso, installati in tutto il mondo, il protocollo HART è considerato il protocollo più popolare nell'automazione industriale e l'articolo di oggi fornirà una panoramica su ciò che lo rende così speciale. Esamineremo le sue caratteristiche, applicazioni e versioni aggiornate come WirelessHART.

Panoramica

Il protocollo HART (Highway Addressable Remote Transducer) è uno dei protocolli di comunicazione aperti più popolari utilizzati nell'automazione industriale per inviare e ricevere informazioni digitali tramite cablaggio analogico tra dispositivi intelligenti e sistemi di controllo. Questo protocollo è un avanzamento del protocollo di comunicazione seriale come RS485 ed evento a cui è anche comunemente utilizzato nelle industrie.

È stato sviluppato da Emerson negli anni '80 come protocollo di comunicazione proprietario per affrontare i difetti nel protocollo di comunicazione 4-20 mA esistente , che poteva trasmettere solo un parametro o valore misurato. Con HART, gli sforzi di automazione industriale potrebbero ottenere comunicazioni bidirezionali che risolvono gli inconvenienti del 4-20 mA, ma mantengono anche la sua infrastruttura poiché il protocollo HART può inviare segnali digitali sovrapponendoli ai segnali analogici senza distorsioni o interferenze.

L'effetto di quanto sopra è la creazione di due canali di comunicazione simultanei: il segnale analogico 4-20mA e un segnale digitale. Questa combinazione è il motivo per cui il protocollo viene definito protocollo ibrido. Applicazioni tipiche come i dispositivi di strumentazione potrebbero utilizzare il segnale 4-20 mA per inviare il valore misurato primario e utilizzare il segnale digitale sovrapposto per inviare informazioni.

Il supporto per dispositivi basati su 4-20 mA significava che le aziende potevano continuare a utilizzare il loro hardware legacy. Questo, insieme al fatto che il protocollo è diventato "Aperto", ha portato i livelli di adozione del protocollo in alto, fino a diventare lo standard di fatto nel settore

Funzionamento del protocollo di comunicazione HART

La comunicazione HART avviene tra due dispositivi abilitati HART, generalmente un dispositivo da campo intelligente e un sistema di controllo o monitoraggio. Come descritto in precedenza, i dispositivi basati sul protocollo trasmettono il segnale analogico utilizzando l'approccio 4-20 mA esistente e i segnali digitali sovrapponendo il segnale (come segnale di corrente alternata) al segnale analogico 4-20 mA, utilizzando il Bell 202 Frequency Shift Keying FSK) standard.

La procedura FSK prevede la sovrapposizione delle onde sinusoidali di due frequenze, tipicamente 1200Hz e 2200Hz, che rappresentano i bit (1 e 0 rispettivamente) dei dati inviati. L'utilizzo di FSK assicura che il valore medio delle due frequenze sia sempre zero, assicurando che il segnale analogico non sia influenzato dal segnale digitale.

Modalità di configurazione della rete

Per soddisfare le esigenze di varie applicazioni, i dispositivi con protocollo HART possono essere configurati per funzionare in due modalità principali;

1. Modalità punto a punto
2. Modalità multi-drop

1. Modalità di rete punto a punto

Nella modalità punto a punto i segnali digitali sono sovrapposti alla corrente del circuito 4–20 mA in modo tale che sia la corrente 4–20 mA sia il segnale digitale possono essere utilizzati per trasmettere messaggi tra il master e lo slave. Questa rappresenta l'applicazione tipica del protocollo, con variabili e dati secondari, che possono essere utilizzati per scopi di monitoraggio, manutenzione e diagnostica, essendo scambiati sui segnali digitali mentre i segnali di controllo vengono inviati sulla metà analogica del protocollo. Nell'immagine seguente viene fornita un'illustrazione della configurazione della rete punto a punto.

2. Modalità di rete multi-drop

La modalità di configurazione di rete Multi-Drop consente di collegare più dispositivi sulla stessa coppia di cavi in ​​modo simile ai protocolli basati sull'indirizzo come i2c. La comunicazione in modalità multi-drop è interamente digitale poiché la comunicazione attraverso la corrente del loop analogico è disabilitata poiché la corrente attraverso ciascuno dei dispositivi è fissata a un valore minimo appena sufficiente per il funzionamento del dispositivo (tipicamente 4mA). Le configurazioni di rete multi-drop vengono tipicamente utilizzate nelle applicazioni di controllo di supervisione che sono ampiamente distanziate come nei serbatoi e nelle condutture. La configurazione di rete Multi-Drop è illustrata nell'immagine sottostante.

Modalità di comunicazione

In generale, per le comunicazioni con il protocollo HART, un dispositivo nella rete, solitamente un sistema di controllo distribuito o PLC, deve essere designato come Master mentre altri, solitamente dispositivi di campo come sensori o attuatori, sono designati come slave.

Tuttavia, il modo in cui gli slave comunicano con il master dipende dalla modalità di comunicazione con cui è configurata la rete. È possibile configurare una rete di dispositivi conformi al protocollo HART per comunicare in due modalità, vale a dire;

1. Modalità di comunicazione richiesta-risposta
2. Modalità burst

1. Modalità di comunicazione richiesta-risposta

Nella modalità di comunicazione richiesta-risposta, i dispositivi slave trasmettono informazioni solo quando viene emessa una richiesta dal dispositivo master. Sebbene questa modalità abbia i suoi svantaggi, in particolare la velocità di comunicazione ridotta (2-3 aggiornamenti dei dati al secondo), aiuta a mantenere il protocollo semplice ed efficace, facile da implementare.

2. Modalità burst

Per fare spazio alla variazione dei requisiti dell'applicazione, il protocollo dispone di un'altra modalità di comunicazione denominata modalità "Burst". In questa modalità, i dispositivi slave possono inviare una singola informazione, in modo continuo, senza necessità di richieste ripetute da parte del master. Questa modalità offre una velocità di comunicazione più rapida con un massimo di 3-4 aggiornamenti al secondo ed è generalmente utilizzata in scenari in cui è necessario più di un dispositivo HART per ascoltare la comunicazione dal loop HART.

Per consentire il monitoraggio esterno, desiderato per la maggior parte delle applicazioni industriali, entrambe le modalità di comunicazione supportano fino a due master definiti come primario e secondario. Il master primario, come illustrato nell'immagine sopra, è solitamente il sistema di controllo / monitoraggio principale mentre il master secondario è solitamente un dispositivo come terminali palmari noti anche come comunicatore HART, che viene collegato al loop HART solo per un breve periodo.

Benefici

Alcuni dei vantaggi del protocollo HART rispetto ad altri nella sua classe includono;

1. Comunicazione bidirezionale

L'utilizzo di un segnale analogico 4-20mA, ad esempio, consente il flusso di informazioni in una sola direzione (trasmettitore al ricevitore). Con la comunicazione HART, i dati possono viaggiare in entrambe le direzioni.

2. Nuovi tipi di informazioni

I canali di comunicazione tradizionali come il 4-20 mA consentono la comunicazione di una sola variabile di processo senza spazio per la convalida, ma con HART è possibile ottenere fino a 40 informazioni aggiuntive insieme alla variabile di processo.

Alcuni esempi di informazioni aggiuntive che potrebbero essere raccolte da dispositivi basati su HART includono;

1. Stato del dispositivo e avvisi diagnostici
2. Variabili e unità di processo
3. Corrente di loop e intervallo%
4. Parametri di configurazione di base
5. Produttore e etichetta del dispositivo

Utilizzando una combinazione di queste informazioni aggiuntive, i dispositivi HART possono segnalare autonomamente i problemi relativi alla configurazione o alle operazioni al dispositivo master / host. Questo aiuta a ridurre la necessità di controlli di routine e potrebbe essere molto utile per la manutenzione predittiva.

3. Dispositivi multivariabili

In modalità digitale, una singola coppia di fili può gestire più variabili. Ad esempio, un trasmettitore potrebbe gestire input da più sensori

4. Indipendenza dal venditore

Tutto ciò che riguarda HART è stato consegnato da Emerson alla HART Communications Foundation, in quanto tali gli standard sono aperti e non specifici per un fornitore. Ciò significa che non c'è pericolo di rimanere bloccati in uno "standard" limitato specifico del fornitore o regionale.

5. Ampia offerta

HART è attualmente considerato il protocollo più ampiamente supportato per l'industria di processo in tutto il mondo. È così popolare che la probabilità che un dispositivo industriale sia compatibile con HART è quasi 1.

6. Interoperabilità

I dispositivi e i sistemi host conformi a HART possono lavorare insieme indipendentemente da vendor, modelli e altri problemi di compatibilità / interoperabilità che affliggono le reti. Anche i dispositivi host che non sono stati progettati per gestire le informazioni digitali da un dispositivo HART avranno ancora un certo livello di interoperabilità con le comunicazioni attraverso il segnale analogico 4-20 mA.

WirelessHART

Il protocollo HART si è evoluto nel corso degli anni con i progressi della tecnologia e una maggiore sofisticazione dei casi d'uso. Uno dei prodotti recenti della sua evoluzione è una nuova tecnologia chiamata WirelessHART, che offre possibilità completamente nuove con la trasmissione wireless delle informazioni HART.

È il primo protocollo di comunicazione wireless standardizzato (IEC62591) nel campo dell'automazione di processo. A differenza del protocollo HART regolare, in questa fase supporta solo la comunicazione sul segnale digitale poiché la comunicazione analogica non viene fornita poiché non viene utilizzato alcun cavo di collegamento.

Attualmente, ci sono due diverse soluzioni WirelessHART tra cui;

1. Un adattatore WirelessHART per migliorare i dispositivi HART esistenti
2. Un trasmettitore WirelessHART autoalimentato.

WirelessHART può essere utilizzato su strumenti cablati esistenti per raccogliere la grande quantità di informazioni precedentemente bloccate nello strumento e fornisce anche un modo economico, semplice e affidabile per implementare nuovi punti di misurazione e controllo senza i costi di cablaggio.