بروتوكول HART: العمارة والعمل وتطبيقاته

في الوقت الحاضر في الأتمتة الصناعية ، يتم استخدام أنواع مختلفة من الأجهزة الميدانية الذكية ولكن مراقبة كل جهاز أمر صعب للغاية داخل الصناعة من قبل السلطات أو المهندسين الميدانيين. بشكل عام ، يتم تحقيق هذا النوع من المراقبة باستخدام الأجهزة الذكية ، والتي تسمح بنقل البيانات بين الأجهزة المتصلة المختلفة داخل وخارج الصناعة إلى نظام المراقبة الرئيسي. لذلك ، تم تقديم بروتوكول HART في عام 1980 وهو يعتمد على معايير Bell 202. أصبح هذا البروتوكول معيارًا صناعيًا ، لذلك يستخدم في الأتمتة الصناعية. لذلك ، تتناول هذه المقالة نظرة عامة على ملف بروتوكول هارت - العمل مع التطبيقات.

ما هو بروتوكول هارت؟

يشير المصطلح HART في بروتوكول HART إلى 'محول الطاقة عن بُعد للطريق السريع' وهو بروتوكول قياسي مفتوح يُستخدم في جميع أنحاء العالم لنقل واستقبال البيانات الرقمية باستخدام الأسلاك التناظرية بين الأجهزة الذكية و أنظمة التحكم . يحظى هذا البروتوكول بشعبية كبيرة ، لذلك يتم تشغيل أكثر من 30 مليون جهاز في جميع أنحاء العالم باستخدام بروتوكول HART. يستخدم هذا البروتوكول لإنشاء الاتصال بين الأنظمة المضيفة وكذلك الأجهزة الميدانية الذكية في الصناعات.

اكتسب بروتوكول HART مزيدًا من الشعبية نظرًا لقدرته على دعم البروتوكول التناظري القديم 4-20 مللي أمبير ، مع تضمين المزايا الرئيسية للأجهزة الذكية الرقمية.
يصف هذا البروتوكول تقنية الاتصال المادي وكذلك الأوامر التي تستخدمها التطبيقات المختلفة. أوامر هارت هي ثلاثة أنواع عامة ، وممارسة مشتركة وجهاز محدد.
يتم تنفيذ أوامر النوع العالمي من خلال جميع أجهزة HART. تُستخدم هذه الأوامر بشكل أساسي بواسطة وحدة تحكم لتحديد جهاز ميداني بالإضافة إلى قراءة بيانات العملية.

تُستخدم أوامر نوع الممارسة الشائعة لوصف الوظائف المختلفة التي تنطبق عادةً على الأجهزة الميدانية فقط. تتضمن هذه الأجهزة أوامر لتغيير النطاق واختيار الوحدات الهندسية وتنفيذ الاختبارات الذاتية.

أوامر النوع الخاصة بالجهاز ليست هي نفسها لكل جهاز. تنفذ هذه الأوامر وظائف تكوين وتعديل فريدة. لذلك ، من المهم جدًا ملاحظة أنه عندما تنفذ الأجهزة من مختلف الشركات المصنعة وظائف مماثلة خارجيًا. على سبيل المثال ، قد يشمل قياس الضغط التفاضلي أجهزة مختلفة تمامًا وأيضًا مجموعات أوامر مختلفة خاصة بالجهاز.

بنية بروتوكول هارت

يعمل بروتوكول HART في تكوينين للشبكة مثل نقطة إلى نقطة ومتعددة النقاط والتي تمت مناقشتها أدناه.

نقطة إلى نقطة تكوين شبكة الاتصال

في تكوين الشبكة من نقطة إلى نقطة ، لتوصيل متغير عملية واحد ، يتم استخدام إشارة ثابتة 4-20 مللي أمبير بينما يتم إرسال متغيرات العملية الإضافية ومعلمات التصميم رقميًا باستخدام بروتوكول HART. لذلك ، لا يتم تغيير الإشارة التناظرية 4-20 مللي أمبير بواسطة إشارة HART ويمكن استخدامها بطريقة عادية. توفر الإشارة الرقمية للاتصالات HART حق الدخول إلى المتغيرات الثانوية ويمكن استخدام البيانات الأخرى للصيانة والتشغيل والتشغيل وأغراض التشخيص.

تكوين شبكة متعددة الإسقاط

يسمح تكوين الشبكة هذا بتوصيل العديد من الأجهزة بزوج واحد من الأسلاك. الاتصال ضمن هذا التكوين رقمي تمامًا نظرًا لتعطيل الاتصال عبر تيار الحلقة التناظرية حيث يتم إصلاح التيار في كل جهاز بأقل قيمة كافية لتشغيل الجهاز عادةً 4 مللي أمبير.

كيف تعمل HART Communication؟

يستخدم بروتوكول الاتصال HART معيار Bell 202 FSK (مفتاح تحويل التردد) لتركيب الإشارات الرقمية التي يتم تمثيلها بترددين مختلفين مثل 1200 هرتز و 2200 هرتز. هنا ، يمثل التردد 1200 هرتز البتة 1 بينما يمثل التردد 2200 هرتز البتة 0 في المقابل.

عندما يتم وضع الموجات الجيبية مع هذه الترددات على كبلات الإشارة التناظرية للتيار المستمر ، يحدث نقل البيانات. لذلك ، أثناء نقل البيانات هذا ، لا تتأثر إشارة 4-20 مللي أمبير بسبب القيمة المعيارية لإشارة مفتاح تحويل التردد إلى الصفر. يدعم هذا البروتوكول قناتي اتصال في وقت واحد مثل الإشارات التناظرية والإشارات الرقمية 4-20 مللي أمبير.

تقوم الإشارة التناظرية بتوصيل القيمة المقاسة الأولية مع الحلقة الحالية 4-20mA بينما يتم توصيل بيانات الجهاز الإضافية من خلال إشارة رقمية متراكبة على الإشارة التناظرية.
تتضمن الإشارة الرقمية معلومات الجهاز مثل حالة الجهاز ، والتشخيصات ، والقيم المحسوبة ، وما إلى ذلك ، لذا تقدم قناتا الاتصال معًا حل اتصالات قويًا ومنخفض التكلفة يسهل استخدامه وتكوينه. غالبًا ما يُطلق على هذا البروتوكول اسم بروتوكول هجين لأنه يجمع بين الاتصال التناظري والرقمي.

يتم تمييز تقنية HART كبروتوكول رئيسي / تابع لأن الجهاز التابع لا يعمل إلا بمجرد توصيل جهاز رئيسي به. هنا ، الجهاز التابع هو جهاز ذكي ، والجهاز الرئيسي هو جهاز كمبيوتر.

طرق بروتوكول HART

بشكل عام ، بالنسبة للاتصال داخل بروتوكول HART ، فإن الجهاز المستخدم داخل الشبكة هو PLC أو نظام التحكم الموزع الذي يتم اختياره على أنه Master بينما تعتبر الأجهزة الميدانية الأخرى عبيدًا مثل أجهزة الاستشعار أو المشغلات. ولكن هنا يعتمد الاتصال بين السيد والعبد بشكل أساسي على طريقة الاتصال التي يتم ترتيب النظام بها. تتواصل شبكة بروتوكول HART في وضعين مثل الوضع الرئيسي / التابع ووضع الاندفاع.

وضع السيد / العبد

يُعرف هذا الوضع أيضًا بوضع الطلب والاستجابة. في هذا النوع من الوضع ، تقوم الأجهزة التابعة ببساطة بنقل البيانات بمجرد إصدار طلب من الجهاز الرئيسي. لكل حلقة HART ، يمكن توصيل سيدين. لذا فإن المعلم الأساسي عادة ما يكون DCS (نظام تحكم موزع) أو كمبيوتر شخصي (كمبيوتر شخصي) أو PLC (وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة) في حين أن الرئيسي الثانوي هو جهاز كمبيوتر آخر أو محطة محمولة. الأجهزة التابعة هي مشغلات ووحدات تحكم وأجهزة إرسال تتفاعل مع الأوامر الصادرة من الأجهزة الرئيسية.

وضع الاندفاع

تدعم بعض الأجهزة التي تدعم بروتوكول HART وضع الاتصال هذا. يسمح هذا الوضع باتصال أسرع مثل ثلاثة إلى أربعة تحديثات للبيانات لكل ثانية. يوجه الجهاز الرئيسي في هذا الوضع الجهاز التابع لإرسال رسالة رد HART نموذجية باستمرار. يتلقى السيد الرسالة بسرعة عالية حتى يأمر العبد بالتوقف عن الانفجار. هذا الوضع قابل للتطبيق عندما يكون جهاز HART أعلاه ضروريًا للاتصال من HART Loop.

بروتوكول هارت مقابل مودبوس

يشمل الاختلاف بين بروتوكول HART و Modbus ما يلي.

مزايا

ال مزايا بروتوكول HART تشمل ما يلي.

• تسمح الأجهزة التي يتم تمكينها بواسطة بروتوكول HART للمستخدمين ببساطة باستخدام الجهاز لأدق البيانات لتحسين قدراتهم التشغيلية.
• يقلل من أوقات التعطل بسبب فشل المعدات من خلال التعرف على المشاكل المحتملة قبل حدوثها.
• يقلل من تكاليف المخزون وصيانة الأجهزة.
• يقلل أوقات الانتظار للتعرف على المشكلات وحلها.
• يعزز مستويات سلامة السلامة باستخدام التشخيصات المتقدمة.
• تشمل فوائد اختيار بروتوكول HART بشكل أساسي ؛ القدرة الرقمية والقدرة التناظرية والتوافر وقابلية التشغيل البيني.
• يمكن أيضًا استخدام هذا البروتوكول مع أجهزة وأجهزة استشعار مختلفة.
• الأجهزة القائمة على بروتوكول HART مقبولة على نطاق واسع في الصناعات.
• يزيد هذا البروتوكول من توفر النظام وانتظام التقدم وما إلى ذلك.

سلبيات

ال عيوب بروتوكول HART تشمل ما يلي.

• الإشارة الرقمية في نقل HART بطيئة إلى حد ما.
• بالنسبة لترتيب متعدد الإسقاط ، لا يمكن الوصول إلى الإشارة التناظرية ولا يمكن الوصول إليها. الأجهزة التي يمكنها تقسيم خط النقل مقيدة.
• يمكنه مراقبة متغير عملية واحد فقط في أي وقت.
• هذا النوع من البروتوكول بطيء إلى حد ما بالمقارنة مع أنظمة Fieldbus الأخرى مثل Profibus & Foundation Fieldbus. لذا فإن وقت الاستجابة البطيء هذا يسبب بعض الصعوبات في بعض التطبيقات الصناعية.
• بشكل عام ، سرعة بروتوكول HART كافية لأنظمة المراقبة البسيطة حيث لا تختلف متغيرات العملية بسرعة.

التطبيقات

ال تطبيقات بروتوكول HART تشمل ما يلي.

• يستخدم بروتوكول HART في جميع أنحاء العالم لنقل واستقبال البيانات الرقمية مع الأسلاك التناظرية بين الأجهزة الذكية وأنظمة التحكم.
• هذا بروتوكول شائع جدًا يستخدم في الأتمتة الصناعية.
• هذا البروتوكول مخصص بشكل أساسي لتحليل الأجهزة الذكية.
• يستخدم هذا على نطاق واسع في أنظمة العمليات والأجهزة.
• يعد هذا النوع من بروتوكول الاتصال مثاليًا للأجهزة متعددة المتغيرات التي تشمل عدادات تدفق الكتلة حيث يمكن توصيل التدفق الحجمي والتدفق الكتلي والكثافة ودرجة الحرارة نحو نظام التحكم عبر كابل واحد.
• تم تصميم هذا البروتوكول بشكل أساسي لاستخدامه في التحكم في العمليات الصناعية وتطبيقات القياس.
• يستخدم بروتوكول HART بشكل أساسي في الصناعات العملية للتواصل بين الأجهزة المختلفة.

وبالتالي ، هذا هو ملف تشغيل بروتوكول HART . هذا البروتوكول هو المعيار العالمي المستخدم لإرسال واستقبال البيانات الرقمية عبر الأسلاك التناظرية بين الأجهزة الميدانية الذكية وكذلك أنظمة المراقبة أو التحكم مثل أنظمة DCS و PLC. يوفر بروتوكول الاتصال ثنائي الاتجاه هذا ببساطة حق الدخول إلى بيانات إضافية بين الحقل ووحدة التحكم المضيفة بدءًا من الجهاز المحمول إلى نظام إدارة الأصول أو وحدة التحكم في المصنع. هنا سؤال: ما هو الشكل الكامل لبروتوكول HART؟