پروتکل هارت

پروتکلHART مخفف Highway Addressable Remote Transducer می‌باشد که از اساس استاندارد (Frequency Shift Keying) FSK برای ارتباط استفاده می‌کند.

پروتکل HART یک پروتکل ارتباط صنعتی بوده که برای ارتباط اجزای مختلف مانند سنسور– کنترل کننده‌ها و سایر اجزای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی به کار می‌رود.
در این ساختار ارتباطی داده‌‌های دیجیتال بر روی سیگنال‌های آنالوگ مدوله می‌شوند.

هدف پروتکل هارت که بر اساس استاندارد ارتباطی FSK موجود در سامانه های مخابراتی پایه گذاری شد و با بهره گیری از روش FSK عمل میکند.

سوار کردن سیگنال های دیجیتال بر روی سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰mA است.
پروتکل هارت قادر است ارتباط دو طرفه مطمئن و امنی را میان مجموعه ای از تجهیزات نصب شده در فیلد و تجهیزات اتاق کنترل برقرار نماید.
سیگنال های دیجیتال مذکور اطلاعاتی از قبیل مشخصات تجهیزات، کالیبراسیون و خطاها را دربردارند که ارسال این نوع اطلاعات توسط سیگنال آنالوگ ۴-۲۰mA امکان پذیر نیست.
البته بدیهی است تمامی دستگاههای مورد استفاده در اتوماسیون، فرآیند یک واحد صنعتی از قبیل ترانسمیترها، شیرهای کنترلی، رایانه ها، سامانه های کنترل DCS وplc می توانند از این پروتکل برای برقراری ارتباط با یکدیگر استفاده نمایند.

سیگنال حامل در این پروتکل جریان ۲۰-۴ میلی آمپر می‌باشد.
این قابلیت امکان استفاده از این پروتکل را بر روی زوج سیم‌‌های قدیمی ممکن می‌سازد.
در این روش هر یک از داده‌های ۰ و ۱ در ارتباط دیجیتال دارای فرکانس مربوط به خود است.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌شود سیگنال قرمز رنگ سیگنال آنالوگ بوده که یک سیگنال جریانی می‌باشد و سیگنال دیجیتال بر آن اضافه شده است.
در این ارتباط فرکانس ۱۲۰۰ هرتز بیانگر ۱ منطقی و فرکانس ۲۲۰۰ هرتز بیانگر ۰ منطقی می‌باشد .
یکی از مهمترین خصوصیات HART قابلیت مبادله اطلاعات با سیستم‌های اتوماسیون قدیمی و مدرن از طریق سیگنال استاندارد صنعتی آنالوگ ۲۰-۴ میلی آمپر می‌باشد
به طوری‌که امکان ارسال سایر داده‌ها را از طریق سیگنال‌های دیجیتال و بر روی همان زوج سیم را داشته باشیم.

برای دانلود قسمت دوم آموزش کالیبراسیون بوسیله هارت اینجا را کلیک کنید

بخش دیجیتالی ارتباط HART می‌تواند، بدون قطع سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپری، حدود ۲ تا ۳ بار در هر ثانیه به روز شود .

دستگاههای مجهز به سیستم ارتباطی HART برای ارتباط برقرارکردن در حلقه های ابزار دقیقی به حداقل امپدانس حلقه ۲۳۰ اهمی (بطور نوعی ۲۵۰ اهم) نیاز دارند.

HART بطور نوعی پروتکلی ارتباطی از نوع درخواست – پاسخ است ، یعنی در طی عملیات معمولی (به روزآوری ۲داده ها تا ۳ بار در هر ثانیه) ، توسط یک وسیله ارتباطی میزبان (Host) ،ارتباط با هر یک از وسائل نصب شده در سایت آغاز می‌شود.
به هر حلقه HART ، دو میزبان می‌تواند وصل شود اولین میزبان، بطور معمول یک سیستم کنترل توزیع شده (DCS) ، کنترل کننده منطقی با قابلیت برنامه‌ریزی (PLC) ، یا یک کامپیوتر شخصی (PC) است. میزبان دوم، می‌تواند یک پایانه دستی (hand held) یا PC دیگر باشد.

دستگاههای نصب شده در سایت شامل ترانسمیترها، حسگرها، ترانسدیوسرها ، عملگرها (Actuators) و کنترل کننده‌هایی هستند که به فرمانهای میزبان اول یا دوم پاسخ می‌دهند.

پروتکل ارتباطی HART براساس استاندارد ارتباطی تلفن Bell 202 بنا نهاده شده است و با استفاده از اصول FSK کار می‌کند.

سیگنال دیجیتالی HART ، از دو فرکانس ۱۲۰۰ هرتز و ۲۲۰۰ هرتز که به ترتیب نمایندگی بیت‌های ۱ و ۰ را دارند استفاده می‌کند. امواج سینوسی این دو فرکانس بر روی جریان مستقیم (DC) سیگنال آنالوگ موجود در کابل سوار می‌شوند تا همزمان ارتباط آنالوگ و دیجیتال را برقرار کنند .
چون مقدار میانگین سیگنال FSK همیشه صفر است، تأثیری بر سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپری نمی گذارد.

هارت مولتی کالیبراتور PROVA133 امکان کالیبره سیستم های HART با مقاومت ۲۵۰ اهم میباشد.
بدین صورت که با اعمال ۴-۲۰mA سیستم های هارت کالیبره می شوند.

توپولوژی های شبکه در پروتکل HART

دستگاه هایی که در این پروتکل استفاده می شوند  به دو صورت اتصال نقطه به نقطه و اتصال معمول چند انشعابی عمل می کنند.

اتصال نقطه به نقطه

در این نوع اتصال که ساده‌  ترین نوع ارتباط میان گره ها (دستگاه ها) میباشد، تنها دو دستگاه میتوانند توسط واسط انتقال به طور مستقیم به یکدیگر متصل شوند. در این اتصال از سیگنال  ۴-۲۰ mAابتدایی تنها برای برقراری ارتباط با یک متغیر فرآیندی استفاده می شود.
در حالیکه سایر متغیرهای فرآیند، پارامترهای پیکربندی فرآیند و نیز داده های مربوط به دستگاه های دیگر به صورت دیجیتال و با استفاده از سیگنال مدوله ‌ ی HART ارسال می-شوند.
از سیگنال های آنالوگ ۴-۲۰ mA  برای کنترل دسترسی به یک عملکرد نرمال نیز استفاده می شود به طوری که این سیگنال ها به هیچ وجه تحت تأثیر سیگنال های HART   قرار نمیگیرند.
سیگنال های ارتباطی HART که دیجیتال هستند امکان دسترسی به متغیرهای ثانویه و سایر داده ها را فراهم می-کنند.

اتصال چند انشعابی

در هنگام پیاده سازی یک شبکه، گاه این نیاز وجود دارد که چندین دستگاه به هم متصل شوند.
در این حالت از توپولوژی و روش اتصال چند انشعابی استفاده می شود.
در این روش ارتباطی در پروتکل HART تنها یک جفت سیم مورد نیاز است و در صورت استفاده میتواند تا ۱۶ دستگاه فیلد که منبع تغذیه ی اضطراری و Safety barriers را هم شامل میشود تحت پوشش قرار دهد.
در این روش اتصال، تمام مقادیر فرآیند به صورت دیجیتال ارسال می شوند و آدرس Polling برای همه دستگاه ها بزرگتر از ۰ است و کمترین جریان عبوری( به طور متعارف ۴ mA ) به هر دستگاه اختصاص داده می شود .
از این روش اتصال بیشتر در مواردی که هدف، نصب و ایجاد کنترل نظارتی توزیع شده می باشد (مثل خطوط لوله، ایستگاه های انتقال مواد، مخازن و انبارها)استفاده می شود.

چگونه  HART  همه‌ی داده‌ها را منتقل می‌کند؟

یکی از مهمترین خصوصیات HART  قابلیت مبادله اطلاعات با سیستم‌های اتوماسیون قدیمی و مدرن از طریق سیگنال استاندارد صنعتی آنالوگ ۲۰-۴ میلی آمپر می‌باشد به طوری‌که امکان ارسال سایر داده‌ها را از طریق سیگنال‌های دیجیتال و بر روی همان زوج سیم را داشته باشیم.

مدل درخواست /پاسخ (The request /reply model)

ارتباطات دیجیتال HART از مدل درخواست/پاسخ برای ارتباط استفاده می‌کنند.
بدین معنی که تجهیزات مبتنی بر HART هیچگونه اطلاعاتی ارسال نمی‌کنند مگر درخواستی از سمت کنترل مرکزی به آن دستگاه ارسال شده باشد.

برای مثال اگر یک دستگاه Slave بوسیله پروتکل HART با Master در حال ارتباط باشد اشکالی در خود و یا فرآیند مشاهده کند، نمی‌تواند این اطلاعات را برای سیستم مرکزی ارسال نماید مگر در صورتی که سیستم مرکزی و یا Master درخواست ارسال داده را برای آن بفرستد.

ارسال اطلاعات می‌توانند استثنا خارج از این مدل باشد که در این صورت ارسال اطلاعات بصورت روش ارتباطی پیوسته (HART  Burst Mode Communication) نامیده می‌شود.

روش ارتباطات پیوسته(HART Burst Mode Communication)

تجهیزات مبتنی بر پروتکل HART  می‌توانند بدون تکرار درخواست سیستم مرکزی ، بخشی از اطلاعات را بصورت پیوسته برای سیستم کنترل ارسال کنند.

این روش ارتباطی که به نام Burst Mode  معروف می‌باشد معمولا جهت ارسال سیگنال‌های تک متغییره از قبیل مقدار اندازه‌گیری شده (Measured Values) یا PV  (Process Variable ) استفاده می‌شود.

با استفاده از روش Burst  Mode  می‌توان بیش از سه پیام را ظرف مدت یک ثانیه ارسال نمود.

مد Multi-drop در ارتباطات پروتکل HART

پروتکل HART می‌تواند چندین تجهیز را با استفاده از یک زوج سیم پشتیبانی نماید.
زمانی که از این ویژگی پروتکل HART استفاده می‌شود انتقال اطلاعات بصورت آنالوگ مقدور نخواهد بود.

نرخ ارسال پیامها در مدل Request/Reply  ارتباطات دیجیتال  معمولا کمتر از دو پیام در ثانیه برای کلیه تجهیزات یک باس می‌باشد.
در عمل همین محدودیت باعث کاهش سرعت و عدم استفاده از این ویژگی پروتکل HART در سیستم‌های جمع آوری اطلاعات (Data-Acquisition) می‌گردد.

استفاده از مالتی‌پلکسرها (Multiplexer)

بیشتر سیستم‌های مرکزی به صورتی طراحی نشده‌اند که بتوانند اطلاعات تجهیزات را بصورت دیجیتال دریافت نمایند.
یک راه حل برای رفع این مشکل، استفاده از مالتی پلکسر‌های بیرونی برای خواندن سیگنال‌های دیجیتال تجهیزات و استخراج نمودن اطلاعات از سیگنال‌های دیجیتال برای عملیات پردازش سیستم کنترلی می‌باشد.

یکی دیگر از مزایای این روش استفاده از چندین Slave یه طور همزمان است به طوری که مالتی‌پلکسر  میان آن‌‌ها سوئیچ می‌کند.

در این شیوه، تجهیزات HART  به هر دوی سیستم کنترلی و  مالتی‌پلکسرها وصل خواهند شد. برای کاهش سیم بندی و همچنین هزینه، معمولا مالتی‌پلکسر‌ها در کابینت‌های سیستم کنترل نصب و به ترمینال‌های ورودی و خروجی سیستم وصل خواهند شد و کافی است تجهیزات به مالتی‌پلکسر‌ها وصل گردند.

اگرچه این راه حل باعث افزایش قیمت نصب تجهیزات نصب HART خواهد شد ولی کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری باعث بازپرداخت هزینه‌ها در مدت زمان کوتاهی خواهد شد.

استفاده از Pass through

بعضی از سیستم‌های کنترل قادرند اطلاعات دیجیتال HART را استخراج نموده و جهت استفاده دیگر برنامه‌های کاربردی همچون نرم‌افزار مدیریت اطلاعات ارسال نمایند.
این طرز عمل Pass through  نامیده می‌شود.

رشته بیت‌های دیجیتالHART  بوسیله ورودی و خروجی ‌های سیستم کنترل مرکزی استخراج و از طریق معماری آن به پایگاه‌ها و یا سایر نرم‌افزار‌های کاربردی پاس داده می‌شود  تا آنها بتوانند از این داده-های دیجیتال استفاده کنند.

سیستم‌های کنترل مرکزی که از سیستم Pass through  استفاده می‌کنند هزینه‌های جمع آوری و استفاده از سیگنال‌های دیجیتال HART را با توجه به به عدم نیاز به مالتی پلکسرهای جداگانه کاهش می‌دهد.