Introducció al protocol de comunicació del transductor remot adreçable a l'autopista

Els avantatges d’aconseguir que dues màquines (o components dins d’elles) parlin entre ells han estat evidents per als experts en automatització i control industrial, molt abans que l’Internet de les coses (IoT) esdevingués el principal. Els valors d’un sensor de temperatura al cor d’un cigonyal que enviava mesures per controlar el relé de transmissió del motor, etc. eren clars i un dels protocols de comunicació que s’utilitzaven per aconseguir-ho era el protocol HART.

Amb més de 30 milions de dispositius basats en ell, instal·lats a tot el món, el protocol HART és considerat el protocol més popular en automatització industrial i l'article d'avui oferirà una visió general del que el fa tan especial. Examinarem les seves funcions, aplicacions i versions actualitzades com WirelessHART.

Visió general

El protocol Highway Addressable Remote Transducer (HART) és un dels protocols de comunicació oberts més populars que s’utilitzen en automatismes industrials per enviar i rebre informació digital mitjançant cablejat analògic entre dispositius intel·ligents i sistemes de control. Aquest protocol és un avanç del protocol de comunicació en sèrie com RS485 i esdeveniment al qual també s'utilitza popularment a les indústries.

Va ser desenvolupat per Emerson als anys vuitanta com a protocol de comunicació propietari per abordar els defectes del protocol de comunicació existent de 4-20 mA, que només podia transmetre un paràmetre o valor mesurat. Amb HART, els esforços d’automatització industrial podrien aconseguir comunicacions bidireccionals que solucionessin els inconvenients del 4-20mA, però també conservessin la seva infraestructura, ja que el protocol HART pot enviar senyals digitals superposant-lo als senyals analògics sense distorsions ni interferències.

L’efecte de l’anterior és la creació de dos canals de comunicació simultanis: el senyal analògic de 4-20 mA i un senyal digital. Aquesta combinació és per què el protocol es coneix com a protocol híbrid. Aplicacions típiques com els dispositius d’instrumentació podrien utilitzar el senyal de 4-20 mA per enviar el valor primari mesurat i utilitzar el senyal digital superposat per enviar informació.

El suport per a dispositius basats en 4-20 mA va fer que les empreses poguessin continuar utilitzant el seu maquinari heretat. Això, juntament amb el fet que el protocol es convertís en "Obert", va elevar els nivells d'adopció del protocol fins que es va convertir en l'estàndard de facto de la indústria

Funcionament del protocol de comunicació HART

La comunicació HART es produeix entre dos dispositius habilitats per HART, normalment un dispositiu de camp intel·ligent i un sistema de control o control. Com es va descriure anteriorment, els dispositius basats en el protocol transmeten senyal analògic mitjançant l'enfocament existent de 4-20 mA i senyals digitals superposant el senyal (com a senyal de corrent altern) al senyal analògic de 4-20 mA, mitjançant el teclat de canvi de freqüència Bell 202 (Estàndard FSK).

El procediment FSK consisteix a superposar les ones sinuoses de dues freqüències, normalment 1200Hz i 2200Hz, que representen els bits (1 i 0 respectivament) de les dades que s’envien. L'ús de FSK garanteix que el valor mitjà de les dues freqüències sigui sempre nul, garantint que el senyal analògic no es vegi afectat pel senyal digital.

Modes de configuració de xarxa

Per satisfer les necessitats de diverses aplicacions, els dispositius sota protocol HART es poden configurar per funcionar en dos modes principals;

1. Mode punt a punt
2. Mode de caiguda múltiple

1. Mode de xarxa punt a punt

En mode punt a punt, els senyals digitals es superposen al corrent de bucle de 4-20 mA de manera que tant el corrent de 4-20 mA com el senyal digital es poden utilitzar per transmetre missatges entre el mestre i l'esclau. Això representa l'aplicació típica del protocol, amb variables i dades secundàries, que es poden utilitzar per a propòsits de supervisió, manteniment i diagnòstic, que s'intercanvien a través dels senyals digitals mentre els senyals de control s'envien per la meitat analògica del protocol. A la imatge següent es proporciona una il·lustració de la configuració de la xarxa de punt a punt.

2. Mode de xarxa Multi-Drop

El mode de configuració de xarxa Multi-Drop permet connectar diversos dispositius al mateix parell de cables d’una manera similar als protocols basats en adreces com l’i2c. La comunicació en mode de caiguda múltiple és totalment digital ja que la comunicació a través del corrent de bucle analògic està desactivada, ja que el corrent de cadascun dels dispositius es fixa en un valor mínim suficient per al funcionament del dispositiu (normalment 4 mA). Les configuracions de xarxa de caiguda múltiple solen utilitzar-se en aplicacions de control de supervisió que estan àmpliament espaiades, com a les granges de tancs i les canonades. La configuració de xarxa Multi-Drop es mostra a la imatge següent.

Modes de comunicació

Generalment, per a les comunicacions sota el protocol HART, cal designar un dispositiu a la xarxa, generalment un sistema de control distribuït o PLC, com a Màster, mentre que altres, normalment dispositius de camp, com a sensors o actuadors, es designen com a esclaus.

No obstant això, la manera com els esclaus es comuniquen amb el mestre depèn del mode de comunicació al qual està configurada la xarxa. Es pot configurar una xarxa de dispositius compatibles amb el protocol HART per comunicar-se en dos modes:

1. Mode de comunicació de sol·licitud-resposta
2. Mode de ràfega

1. Mode de comunicació de sol·licitud-resposta

En el mode de comunicació de sol·licitud-resposta, els dispositius esclaus només transmeten informació quan el dispositiu mestre emet una sol·licitud. Tot i que aquest mode té els seus desavantatges, especialment la velocitat de comunicació reduïda (2-3 actualitzacions de dades per segon), ajuda a mantenir el protocol senzill, eficaç i fàcil d’implementar.

2. Mode de ràfega

Per deixar lloc a la variació dels requisits de l'aplicació, el protocol té un altre mode de comunicació anomenat mode "Ràfega". En aquest mode, els dispositius esclaus poden enviar una sola informació de manera contínua, sense necessitat de sol·licituds repetides del mestre. Aquest mode ofereix una velocitat de comunicació més ràpida amb fins a 3-4 actualitzacions per segon, i s’utilitza normalment en escenaris en què es necessita més d’un dispositiu HART per escoltar la comunicació des del bucle HART.

Per permetre el control extern, desitjat per a la majoria d’aplicacions industrials, ambdós modes de comunicació admeten fins a dos masters definits com a primari i secundari. El mestre principal, tal com s’il·lustra a la imatge superior, sol ser el sistema principal de control / supervisió, mentre que el mestre secundari sol ser un dispositiu com els terminals de mà també coneguts com a comunicador HART, que només es connecta al bucle HART durant un curt període.

Beneficis

Alguns dels avantatges del protocol HART sobre altres de la seva classe inclouen;

1. Comunicació bidireccional

L'ús d'un senyal analògic de 4-20 mA, per exemple, permet el flux d'informació en una sola direcció (transmissor al receptor). Amb la comunicació HART, les dades poden viatjar en ambdues direccions.

2. Nous tipus d'informació

Els canals de comunicació tradicionals com el 4-20mA permeten comunicar només una variable de procés única sense cap marge per validar, però amb HART podeu obtenir fins a 40 informació addicional juntament amb la variable de procés.

Alguns exemples d'informació addicional que es podrien obtenir dels dispositius basats en HART inclouen;

1. Alertes de diagnòstic i estat del dispositiu
2. Variables i unitats de procés
3. Corrent de bucle i% de rang
4. Paràmetres bàsics de configuració
5. Etiqueta de fabricant i dispositiu

Mitjançant una combinació d’aquesta informació addicional, els dispositius HART poden informar-se de problemes de configuració o operacions al dispositiu mestre / amfitrió. Això ajuda a reduir la necessitat de revisions rutinàries i pot ser molt útil per al manteniment predictiu.

3. Dispositius multivariables

En mode digital, un sol parell de cables pot gestionar diverses variables. Per exemple, un transmissor podria gestionar entrades de diversos sensors

4. Independència del venedor

Emerson va lliurar tot el relacionat amb HART a la HART Communications Foundation, ja que els estàndards són oberts i no són específics d’un proveïdor. Això significa que no hi ha perill de bloquejar-se en uns "estàndards" específics o específics del venedor.

5. Amplitud del subministrament

Actualment, HART es considera el protocol més admès per a la indústria de processos a tot arreu. És tan popular que la probabilitat que un dispositiu industrial sigui compatible amb HART és gairebé 1.

6. Interoperabilitat

Els dispositius i sistemes d’amfitrió compatibles amb HART poden funcionar junts independentment del proveïdor, els models i altres problemes de compatibilitat / interoperabilitat que afecten les xarxes. Fins i tot els dispositius d’amfitrió que no estaven dissenyats per gestionar la informació digital d’un dispositiu HART encara tindran algun nivell d’interoperabilitat amb les comunicacions mitjançant el senyal analògic de 4-20 mA.

WirelessHART

El protocol HART ha evolucionat al llarg dels anys amb avenços tecnològics i una major sofisticació dels casos d’ús. Un dels productes recents de la seva evolució és una nova tecnologia anomenada WirelessHART, que ofereix possibilitats completament noves amb la transmissió sense fils d’informació HART.

És el primer protocol de comunicació sense fils estandarditzat (IEC62591) en el camp de l'automatització de processos. A diferència del protocol HART normal, en aquesta etapa només admet la comunicació a través del senyal digital ja que no es proporciona la comunicació analògica, ja que no s’utilitza cap cable de connexió.

Actualment, hi ha dues solucions WirelessHART diferents, incloses;

1. Un adaptador WirelessHART per millorar els dispositius HART existents
2. Un transmissor WirelessHART autoalimentat.

WirelessHART es pot utilitzar en instruments cablejats existents per recopilar la gran quantitat d'informació que anteriorment es trobava encallada a l'instrument i també proporciona una forma rendible, senzilla i fiable de desplegar nous punts de mesura i control sense els costos de cablejat.