HART-Protokoll: Architektur, Arbeitsweise und Anwendungen

Derzeit im industrielle Automatisierung werden verschiedene Arten von intelligenten Feldgeräten verwendet, aber die Überwachung jedes Geräts durch Behörden oder Außendiensttechniker ist in der Branche sehr schwierig. Im Allgemeinen wird diese Art der Überwachung also mit intelligenten Geräten erreicht, die eine Datenübertragung zwischen verschiedenen angeschlossenen Geräten innerhalb und außerhalb der Industrie zum großen Überwachungssystem ermöglichen. Das HART-Protokoll wurde also 1980 eingeführt und baut auf den Bell 202-Standards auf. Dieses Protokoll ist zu einem Industriestandard geworden, der in der industriellen Automatisierung verwendet wird. Daher behandelt dieser Artikel einen Überblick über die HART-Protokoll – Arbeiten mit Anwendungen.

Was ist das HART-Protokoll?

Der Begriff HART im HART-Protokoll steht für „Highway Addressable Remote Transducer“, ein offenes Standardprotokoll, das weltweit verwendet wird, um digitale Daten mit analoger Verkabelung zwischen intelligenten Geräten und Geräten zu übertragen und zu empfangen. Kontroll systeme . Dieses Protokoll ist sehr beliebt, sodass über 30 Millionen Geräte auf der ganzen Welt mit dem HART-Protokoll betrieben werden. Dieses Protokoll wird verwendet, um die Kommunikation zwischen Hostsystemen sowie intelligenten Feldgeräten in der Industrie herzustellen.

Das HART-Protokoll gewann an Popularität aufgrund seiner Fähigkeit, das ältere 4-20-mA-basierte analoge Protokoll zu unterstützen und gleichzeitig die Hauptvorteile der digitalen intelligenten Instrumentierung zu integrieren.
Dieses Protokoll beschreibt die physische Verbindungstechnologie und auch Befehle, die von verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Es gibt drei Arten von Hart-Befehlen: Universal, Common Practice und Device Specific.
Universelle Befehle werden durch alle HART-Geräte implementiert. Diese Befehle werden hauptsächlich von einer Steuerung zum Identifizieren eines Feldgeräts sowie zum Lesen von Prozessdaten verwendet.

Befehle vom Typ Common Practice werden verwendet, um verschiedene Funktionen zu beschreiben, die normalerweise nur auf Feldgeräte anwendbar sind. Diese Geräte enthalten Befehle zum Ändern des Bereichs, zum Auswählen technischer Einheiten und zum Ausführen von Selbsttests.

Gerätespezifische Typbefehle sind nicht für jedes Gerät gleich. Diese Befehle führen einzigartige Konfigurations- und Modifikationsfunktionen aus. Daher ist es sehr wichtig zu beachten, dass Geräte verschiedener Hersteller ähnliche Funktionen extern implementieren. Beispielsweise kann die Differenzdruckmessung komplett unterschiedliche Hardware und auch unterschiedliche gerätespezifische Befehlssätze umfassen.

HART-Protokollarchitektur

Das HART-Protokoll arbeitet in zwei Netzwerkkonfigurationen wie Punkt-zu-Punkt und Mehrpunkt, die unten besprochen werden.

Punkt-zu-Punkt-Netzwerkkonfiguration

In der Punkt-zu-Punkt-Netzwerkkonfiguration wird zur Übertragung einer einzelnen Prozessvariablen das feste 4-20-mA-Signal verwendet, während zusätzliche Prozessvariablen und Designparameter digital mit dem HART-Protokoll übertragen werden. Das analoge 4–20-mA-Signal wird also nicht durch das HART-Signal verändert und kann auf normale Weise verwendet werden. Das digitale HART-Kommunikationssignal ermöglicht den Zugriff auf sekundäre Variablen und andere Daten können für Wartungs-, Inbetriebnahme-, Betriebs- und Diagnosezwecke verwendet werden.

Multi-Drop-Netzwerkkonfiguration

Diese Netzwerkkonfiguration ermöglicht es, verschiedene Geräte mit einem einzigen Adernpaar zu verbinden. Die Kommunikation innerhalb dieser Konfiguration ist vollständig digital, da die Kommunikation über den gesamten analogen Schleifenstrom deaktiviert ist, da der Strom durch jedes Gerät auf einen für den Betrieb des Geräts ausreichenden Mindestwert von normalerweise 4 mA festgelegt ist.

Wie funktioniert die HART-Kommunikation?

Das HART-Kommunikationsprotokoll verwendet den Standard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying), um digitale Signale zu überlagern, die mit zwei unterschiedlichen Frequenzen wie 1.200 Hz und 2.200 Hz dargestellt werden. Hier stellt eine Frequenz von 1.200 Hz Bit 1 dar, während eine Frequenz von 2.200 Hz entsprechend Bit 0 darstellt.

Wenn Sinuswellen mit diesen Frequenzen auf DC-Analogsignalkabel übertragen werden, findet die Datenübertragung statt. Während dieser Datenübertragung wird das 4-20-mA-Signal also nicht beeinflußt, da der Standardwert eines Frequenzumtastungssignals äquivalent zu Null ist. Dieses Protokoll unterstützt gleichzeitig zwei Kommunikationskanäle wie analoge 4-20-mA-Signale und digitale Signale.

Das analoge Signal übermittelt den primären Messwert an die 4-20mA-Stromschleife, während die zusätzlichen Gerätedaten durch ein digitales Signal übermittelt werden, das dem analogen Signal überlagert ist.
Das digitale Signal enthält die Informationen des Geräts wie Gerätezustand, Diagnose, berechnete Werte usw. Zusammen bieten die beiden Kommunikationskanäle also eine sehr robuste und kostengünstige Kommunikationslösung, die sehr einfach zu verwenden und zu konfigurieren ist. Dieses Protokoll wird häufig als Hybridprotokoll bezeichnet, da es sowohl analoge als auch digitale Kommunikation kombiniert.

Die HART-Technologie wird als Master/Slave-Protokoll unterschieden, da das Slave-Gerät nur funktioniert, wenn ein Master-Gerät daran angeschlossen ist. Hier ist das Slave-Gerät ein intelligentes Gerät und das Master-Gerät ein Computer.

Modi des HART-Protokolls

Für die Kommunikation innerhalb des HART-Protokolls ist das im Netzwerk verwendete Gerät im Allgemeinen eine SPS oder ein verteiltes Steuerungssystem, das als Master ausgewählt wird, während andere Feldgeräte wie Sensoren oder Aktoren als Slaves betrachtet werden. Aber hier hängt die Kommunikation zwischen Master und Slave hauptsächlich von der Kommunikationsart ab, auf die das System eingerichtet ist. Das HART-Protokollnetzwerk kommuniziert in zwei Modi wie dem Master/Slave-Modus und dem Burst-Modus.

Master/Slave-Modus

Dieser Modus wird auch als Request-Response-Modus bezeichnet. In diesem Modus übertragen Slave-Geräte einfach Daten, sobald eine Anfrage vom Master-Gerät ausgegeben wird. Für jede HART-Schleife können zwei Master angeschlossen werden. Der primäre Master ist also normalerweise ein DCS (verteiltes Steuerungssystem), ein PC (Personal Computer) oder eine SPS (speicherprogrammierbare Steuerung), während der sekundäre Master ein anderer PC oder ein Handheld-Terminal ist. Slave-Geräte sind Aktoren, Controller und Sender, die auf Befehle von den Master-Geräten reagieren.

Burst-Modus

Einige Geräte mit aktiviertem HART-Protokoll unterstützen einfach diesen Kommunikationsmodus. Dieser Modus ermöglicht eine schnellere Kommunikation wie drei bis vier Datenaktualisierungen pro Sekunde. In diesem Modus weist das Master-Gerät das Slave-Gerät an, kontinuierlich eine typische HART-Antwortnachricht zu senden. Der Master erhält die Nachricht mit hoher Geschwindigkeit, bis er dem Slave befiehlt, mit dem Platzen aufzuhören. Dieser Modus ist anwendbar, wenn das obige HART-Gerät zur Kommunikation von der HART-Schleife erforderlich ist.

HART-Protokoll vs. Modbus

Der Unterschied zwischen dem HART-Protokoll und Modbus umfasst Folgendes.

Vorteile

Das Vorteile des HART-Protokolls füge folgendes hinzu.

• Die Geräte, die durch das HART-Protokoll aktiviert werden, ermöglichen es den Benutzern einfach, das Gerät dazu zu bringen, die besten Daten zur Optimierung ihrer Betriebsfähigkeiten zu verwenden.
• Es verringert die Ausfallzeiten aufgrund des Ausfalls von Geräten, indem potenzielle Probleme erkannt werden, bevor sie auftreten.
• Es reduziert die Lagerhaltungskosten und die Wartung der Geräte.
• Es verkürzt die Wartezeiten für die Problemerkennung und Problemlösung.
• Es verbessert die Sicherheitsintegritätsstufen durch die Verwendung erweiterter Diagnosefunktionen.
• Die Vorteile der Wahl des HART-Protokolls umfassen hauptsächlich: Digitalfähigkeit, Analogfähigkeit, Verfügbarkeit und Interoperabilität.
• Dieses Protokoll kann auch mit verschiedenen Geräten und Sensoren verwendet werden.
• Auf dem HART-Protokoll basierende Geräte sind in der Industrie weitgehend akzeptiert.
• Dieses Protokoll erhöht die Systemverfügbarkeit, die Regelmäßigkeit des Fortschritts usw.

Nachteile

Das Nachteile des HART-Protokolls füge folgendes hinzu.

• Das digitale Signal innerhalb der HART-Übertragung ist ziemlich langsam.
• Bei einer Multidrop-Anordnung ist das analoge Signal nicht zugänglich & die Nr. von Geräten, die die Übertragungsleitung aufteilen können, ist eingeschränkt.
• Es kann immer nur eine Prozessvariable überwacht werden.
• Diese Art von Protokoll ist im Vergleich zu anderen Fieldbus-Systemen wie Profibus & Foundation Fieldbus etwas langsam. Diese langsame Reaktionszeit verursacht also einige Schwierigkeiten in einigen industriellen Anwendungen.
• Im Allgemeinen reicht die Geschwindigkeit des HART-Protokolls für einfache Überwachungssysteme aus, bei denen sich die Prozessvariablen nicht schnell ändern.

Anwendungen

Das Anwendungen des HART-Protokolls füge folgendes hinzu.

• Das HART-Protokoll wird weltweit verwendet, um digitale Daten mit analoger Verkabelung zwischen intelligenten Geräten und Steuerungssystemen zu übertragen und zu empfangen.
• Dies ist ein sehr beliebtes Protokoll, das in der industriellen Automatisierung verwendet wird.
• Dieses Protokoll dient hauptsächlich der Analyse intelligenter Geräte.
• Dies wird häufig in Prozess- und Instrumentierungssystemen eingesetzt.
• Diese Art von Kommunikationsprotokoll ist ideal für multivariable Instrumente, einschließlich Massendurchflussmesser, wo Volumendurchfluss, Massendurchfluss, Dichte und Temperatur über ein einziges Kabel an das Steuersystem übermittelt werden können.
• Dieses Protokoll ist hauptsächlich für den Einsatz in industriellen Prozesssteuerungs- und Messanwendungen konzipiert.
• Das HART-Protokoll wird hauptsächlich in der Prozessindustrie für die Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten verwendet.

Somit ist dies ein Betrieb des HART-Protokolls . Dieses Protokoll ist der globale Standard, der zum Senden und Empfangen digitaler Daten über analoge Kabel zwischen intelligenten Feldgeräten sowie Überwachungs- oder Steuerungssystemen wie DCS- und SPS-Systemen verwendet wird. Dieses bidirektionale Kommunikationsprotokoll bietet einfach das Recht auf Zugang zu zusätzlichen Daten zwischen dem Feld und der Host-Steuerung, die von einem Handheld-Gerät bis zu einem Asset-Management-System oder einer Anlagensteuerung reichen. Hier ist eine Frage: Was ist die vollständige Form des HART-Protokolls?