پروتکل HART چیست و چه کاربردی در اتوماسیون صنعتی دارد؟

پروتکل HART چیست؟

HART مخفف Highway Addressable Remote Transducer است و یکی از پروتکل‌های ارتباطی پرکاربرد در حوزه ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی محسوب می‌شود.
پروتکل HART امکان برقراری ارتباط دیجیتال با تجهیزات ابزار دقیق را فراهم می‌کند، در حالی که می‌تواند هم‌زمان از سیگنال آنالوگ 4-20mA نیز برای انتقال مقدار اندازه‌گیری‌شده استفاده کند.
این ویژگی یکی از مهم‌ترین مزایای HART است؛ زیرا اجازه می‌دهد تجهیزات موجود که بر پایه حلقه جریان 4-20mA کار می‌کنند، بدون حذف کامل زیرساخت آنالوگ و همچنین بدون استفاد از مسیر مجزا برای ارتباط ، قابلیت‌های ارتباط دیجیتال نیز داشته باشند.

HART چگونه کار می‌کند؟

در یک سیستم معمولی 4-20mA، مقدار فرآیند با تغییر جریان منتقل می‌شود.
برای مثال در یک ترانسمیتر فشار با محدوده 0 تا 10 بار:
4mA  تقریباً معادل 0 bar است.
12mA  تقریباً معادل 5 bar است.
20mA  تقریباً معادل 10 bar است.

در پروتکل HART، علاوه بر سیگنال آنالوگ 4-20mA، اطلاعات دیجیتال نیز روی همان زوج سیم منتقل می‌شود.
برای انتقال اطلاعات دیجیتال از یک سیگنال مدوله‌شده با فرکانس استفاده می‌شود که بر اساس روش FSK یا Frequency Shift Keying عمل می‌کند.
در روش HART از دو فرکانس مشخص برای نمایش بیت‌های دیجیتال استفاده می‌شود:
1200 Hz
2200 Hz
این سیگنال دیجیتال به گونه‌ای روی جریان 4-20mA قرار می‌گیرد که مقدار آنالوگ فرآیند همچنان قابل استفاده باقی بماند.

چرا HART اهمیت دارد؟

یکی از مشکلات سیستم‌های صرفاً آنالوگ این است که اطلاعات محدودی از تجهیز در اختیار سیستم کنترل قرار می‌گیرد.
برای مثال ممکن است یک Pressure Transmitter فقط مقدار فشار را به صورت 4-20mA ارسال کند.
اما خود تجهیز اطلاعات دیگری نیز دارد؛ مانند:
واحد اندازه‌گیری
محدوده اندازه‌گیری
مقدار دقیق متغیر فرآیند
وضعیت تجهیز
اطلاعات تشخیصی
خطاها و هشدارها
اطلاعات تنظیمات
مشخصات تجهیز
HART امکان دسترسی دیجیتال به بخشی از این اطلاعات را فراهم می‌کند.
بنابراین HART را می‌توان یک روش ارتباطی دانست که قابلیت‌های دیجیتال را به سیستم‌های مبتنی بر 4-20mA اضافه می‌کند.

ساختار یک سیستم HART :

یک سیستم ساده HART می‌تواند شامل موارد زیر باشد:
ترانسمیتر → حلقه 4-20mA → سیستم کنترل
در صورتی که تجهیز و سیستم ارتباطی از HART پشتیبانی کنند، ارتباط دیجیتال نیز روی همین مسیر برقرار می‌شود.
ساختار ساده سیستم را می‌توان به صورت زیر نمایش داد:
HART Transmitter ↔ HART Communication
در این حالت یک HART Communicator یا سیستم کنترل مجهز به قابلیت HART می‌تواند با ترانسمیتر ارتباط برقرار کند.

HART Communicator  چیست؟

برای ارتباط با تجهیزات HART می‌توان از تجهیزی به نام HART Communicator استفاده کرد.
HART Communicator یک ابزار قابل حمل است که مهندس ابزار دقیق یا تکنسین می‌تواند با استفاده از آن به ترانسمیتر متصل شود و اطلاعات تجهیز را مشاهده یا تنظیم کند.
برخی از قابلیت‌های رایج HART Communicator عبارت‌اند از:
مشاهده مقدار فرآیند
مشاهده جریان حلقه
مشاهده وضعیت تجهیز
مشاهده خطاها
تنظیم محدوده اندازه‌گیری
تغییر واحد
تنظیم برخی پارامترهای تجهیز
انجام عملیات کالیبراسیون یا Trim در صورت پشتیبانی تجهیز
بررسی اطلاعات تشخیصی

HART چگونه به ترانسمیتر متصل می‌شود؟

یکی از نکات مهم در سیستم HART این است که ارتباط دیجیتال از طریق همان حلقه جریان 4-20mA انجام می‌شود.
یک حلقه معمولی می‌تواند شامل موارد زیر باشد:
Power Supply → Transmitter → Load/Resistance → Control System
برای ارتباط HART معمولاً وجود مقاومت مناسب در حلقه ضروری است؛ مقدار رایج مقاومت بار در بسیاری از کاربردها 250Ω است، اما مقدار دقیق باید بر اساس مشخصات تجهیز و طراحی حلقه بررسی شود.
به همین دلیل در زمان عیب‌یابی HART باید علاوه بر خود ترانسمیتر، منبع تغذیه، مقاومت حلقه، سیم‌کشی و تجهیزات متصل به حلقه نیز بررسی شوند.

تفاوت 4-20mA و HART چیست؟

4-20mA یک روش استاندارد برای انتقال مقدار آنالوگ است، در حالی که HART یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است که می‌تواند روی همان حلقه 4-20mA مورد استفاده قرار گیرد.
بنابراین این دو الزاماً رقیب یکدیگر نیستند.
در یک سیستم HART:
4-20mA → انتقال مقدار اصلی فرآیند
HART → انتقال اطلاعات دیجیتال و اطلاعات جانبی تجهیز
برای مثال یک ترانسمیتر فشار می‌تواند فشار را از طریق 4-20mA به سیستم کنترل منتقل کند و هم‌زمان اطلاعات دیجیتال مربوط به تنظیمات، وضعیت و تشخیص تجهیز از طریق HART قابل دسترسی باشد.

کاربرد HART در ترانسمیترهای صنعتی :

HART در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق استفاده شده است.
از جمله:
Pressure Transmitter
Differential Pressure Transmitter
Temperature Transmitter
Level Transmitter
Flow Transmitter
برای مثال در یک Flow Transmitter مجهز به HART، علاوه بر مقدار جریان فرآیند، امکان دسترسی به اطلاعات دیجیتال تجهیز نیز وجود دارد.

HART و تنظیمات ترانسمیتر :

یکی از کاربردهای مهم HART، تنظیم پارامترهای ترانسمیتر بدون نیاز به تغییر سیم‌کشی است.
فرض کنید یک Pressure Transmitter دارای محدوده مشخصی است و لازم است محدوده اندازه‌گیری آن تغییر کند.
در صورتی که تجهیز قابلیت HART داشته باشد، می‌توان با استفاده از ابزار ارتباطی مناسب، پارامترهای قابل تنظیم تجهیز را تغییر داد.
برای مثال ممکن است بتوان:
Range را تغییر داد.
واحد اندازه‌گیری را تنظیم کرد.
Damping را تنظیم کرد.
برخی پارامترهای خروجی را تغییر داد.
اطلاعات تجهیز را مشاهده کرد.
البته قابلیت‌های قابل تنظیم به مدل و سازنده تجهیز بستگی دارد.

HART و عیب‌یابی تجهیزات ابزار دقیق :

یکی از مزایای مهم ارتباط دیجیتال HART، دسترسی به اطلاعات تشخیصی تجهیز است.
در یک سیستم سنتی 4-20mA ممکن است سیستم کنترل فقط مقدار جریان را دریافت کند.
اما در یک تجهیز HART، علاوه بر مقدار فرآیند، اطلاعات بیشتری درباره وضعیت تجهیز قابل دریافت است.
این اطلاعات می‌تواند در موارد زیر به مهندس یا تکنسین کمک کند:
تشخیص خطا
بررسی وضعیت سنسور
بررسی تنظیمات
بررسی محدوده اندازه‌گیری
بررسی وضعیت خروجی
شناسایی برخی مشکلات فرآیندی یا تجهیزاتی
به همین دلیل HART می‌تواند فرآیند تعمیر و نگهداری تجهیزات ابزار دقیق را ساده‌تر کند.

HART در ارتباط با PLC :

در پروژه‌های اتوماسیون صنعتی، ممکن است ترانسمیتر HART به PLC متصل شود.
در ساده‌ترین حالت، PLC مقدار فرآیند را از طریق ورودی آنالوگ 4-20mA دریافت می‌کند.
برای مثال:
Pressure Transmitter → 4-20mA → Analog Input PLC
در این حالت PLC مقدار فشار را دریافت و پردازش می‌کند.
اگر PLC یا ماژول ورودی آنالوگ از قابلیت‌های HART پشتیبانی کند، امکان استفاده از اطلاعات دیجیتال HART نیز وجود خواهد داشت.
بنابراین باید بین دو موضوع تفاوت قائل شد:
دریافت سیگنال 4-20mA توسط PLC
و
ارتباط دیجیتال HART با تجهیز
هر PLC یا ماژول آنالوگ الزاماً قابلیت HART را ندارد.

HART Multidrop چیست؟

پروتکل HART می‌تواند در حالت Multidrop نیز مورد استفاده قرار گیرد.
در این روش چند تجهیز می‌توانند روی یک مسیر ارتباطی قرار بگیرند و هر تجهیز دارای یک آدرس مشخص باشد.
در حالت Multidrop، معمولاً مقدار آنالوگ ثابت شده و ارتباط اصلی بر پایه ارتباط دیجیتال انجام می‌شود؛ بنابراین این روش با کاربرد معمولی که مقدار فرآیند از طریق تغییر جریان 4-20mA منتقل می‌شود تفاوت دارد.
استفاده از Multidrop به طراحی سیستم، نوع تجهیزات و نیاز پروژه بستگی دارد.

مزایای HART :

مهم‌ترین مزایای استفاده از HART عبارت‌اند از:
استفاده هم‌زمان از 4-20mA و ارتباط دیجیتال
امکان دسترسی به اطلاعات بیشتر از تجهیز
امکان تنظیم پارامترهای تجهیز
قابلیت تشخیص برخی خطاها
کمک به عیب‌یابی و نگهداری
امکان استفاده در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق
قابلیت استفاده روی زیرساخت‌های متداول 4-20mA
امکان استفاده در سیستم‌های جدید و بسیاری از سیستم‌های موجود

محدودیت‌های HART : 

HART در کنار مزایای خود، محدودیت‌هایی نیز دارد.
سرعت ارتباط HART نسبت به بسیاری از شبکه‌های صنعتی جدید پایین‌تر است و برای انتقال حجم زیادی از اطلاعات یا کاربردهای کنترل سریع طراحی نشده است.
همچنین برای استفاده از قابلیت‌های کامل HART، تجهیز، کارت ورودی/خروجی یا سیستم کنترل و نرم‌افزار مربوطه باید از آن پشتیبانی کنند.
بنابراین HART را نباید جایگزین همه شبکه‌های صنعتی دانست؛ بلکه باید آن را متناسب با نیاز پروژه انتخاب کرد.

تفاوت HART با Modbus :

HART و Modbus هر دو در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما کاربرد و ساختار آن‌ها متفاوت است.
HART عمدتاً در حوزه ابزار دقیق و تجهیزات فرآیندی و به‌خصوص در ارتباط با ترانسمیترهایی که از 4-20mA استفاده می‌کنند کاربرد دارد.
در مقابل، Modbus یک پروتکل ارتباطی عمومی‌تر است که در تجهیزات مختلفی مانند PLC، HMI، درایو، کنتور، نمایشگر و تجهیزات ابزار دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بنابراین انتخاب بین HART و Modbus به نوع تجهیزات، ساختار سیستم و نیاز پروژه بستگی دارد.

HART در سیستم‌های مدرن ابزار دقیق :

با وجود توسعه شبکه‌ها و پروتکل‌های صنعتی جدید، HART همچنان در بسیاری از سیستم‌های ابزار دقیق اهمیت دارد.
یکی از دلایل آن، تعداد زیاد تجهیزات میدانی است که بر پایه 4-20mA کار می‌کنند و قابلیت HART نیز دارند.
در بسیاری از پروژه‌ها می‌توان از 4-20mA برای انتقال مقدار اصلی فرآیند و از HART برای دسترسی به اطلاعات تشخیصی و تنظیمات تجهیز استفاده کرد.
به این ترتیب، HART می‌تواند پلی بین سیستم‌های آنالوگ رایج و قابلیت‌های ارتباط دیجیتال باشد.

HART چه زمانی انتخاب مناسبی است؟
HART می‌تواند گزینه مناسبی باشد زمانی که:
تجهیزات فرآیندی دارای HART باشند.
سیستم موجود بر پایه 4-20mA طراحی شده باشد.
نیاز به اطلاعات تشخیصی تجهیز وجود داشته باشد.
تنظیمات ترانسمیتر از راه ارتباطی مورد نیاز باشد.
نیاز به دسترسی به پارامترهای داخلی تجهیز وجود داشته باشد.
سرعت بالای شبکه اولویت اصلی پروژه نباشد.

در مقابل، اگر پروژه نیازمند انتقال حجم زیاد اطلاعات، سرعت بالا یا ارتباط گسترده بین تجهیزات مختلف باشد، ممکن است پروتکل‌ها و شبکه‌های صنعتی دیگری گزینه مناسب‌تری باشند.

جمع‌بندی :

HART یا Highway Addressable Remote Transducer یک پروتکل ارتباطی مهم در حوزه ابزار دقیق است که امکان انتقال اطلاعات دیجیتال را روی حلقه 4-20mA فراهم می‌کند.
مهم‌ترین ویژگی HART این است که می‌تواند اطلاعات دیجیتال تجهیز را در کنار مقدار آنالوگ فرآیند در اختیار سیستم قرار دهد.
به کمک HART می‌توان علاوه بر دریافت مقدارهایی مانند فشار، دما، سطح و دبی، به اطلاعاتی مانند تنظیمات، وضعیت و اطلاعات تشخیصی تجهیز نیز دسترسی داشت.
در پروژه‌های ابزار دقیق، استفاده صحیح از HART می‌تواند به راه‌اندازی، تنظیم، عیب‌یابی و نگهداری تجهیزات کمک کند.
بنابراین شناخت HART برای مهندسان و تکنسین‌های فعال در زمینه ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی اهمیت زیادی دارد.

اگر برای انتخاب تجهیزات ابزار دقیق، طراحی سیستم اندازه‌گیری، اتصال ترانسمیترها به PLC یا اجرای پروژه‌های اتوماسیون صنعتی نیاز به مشاوره دارید، می‌توانید از خدمات مشاوره ابزار دقیق و سیستم‌های اندازه‌گیری مجموعه الکترون استفاده کنید.