پروتکل هارت (HART)

پروتکل هارت (HART) چیست؟ راهنمای کامل

مقدمه‌ای بر پروتکل هارت (HART)

در دنیای اتوماسیون صنعتی، ارتباط بین دستگاه‌ها نقش حیاتی ایفا می‌کند. یکی از پروتکل‌های پرکاربرد در این حوزه، پروتکل HART است. HART که مخفف Highway Addressable Remote Transducer می‌باشد، یک استاندارد ارتباطی باز و شناخته‌شده برای تجهیزات هوشمند میدان صنعتی است.

پروتکل HART امکان ارتباط دوطرفه بین سیستم‌های کنترلی و تجهیزات هوشمند مانند سنسورها و ترانسمیترها را فراهم می‌کند، بدون اینکه تداخلی در سیگنال ۴-۲۰ میلی‌آمپر ایجاد شود.

تاریخچه پروتکل HART

پروتکل HART در اواخر دهه ۱۹۸۰ توسط شرکت Rosemount Inc معرفی شد. هدف اولیه از توسعه این پروتکل، اضافه کردن امکانات ارتباط دیجیتال به تجهیزات ۴-۲۰ میلی‌آمپری بود که قبلاً تنها سیگنال‌های آنالوگ منتقل می‌کردند.

با گذشت زمان، HART به یک استاندارد صنعتی تبدیل شد و امروز توسط انجمن FieldComm Group مدیریت و توسعه داده می‌شود.

پروتکل HART چگونه کار می‌کند؟

ترکیب سیگنال آنالوگ و دیجیتال

پروتکل HART به صورت همزمان اطلاعات آنالوگ و دیجیتال را بر روی یک سیم مشترک منتقل می‌کند. سیگنال پایه همان جریان ۴-۲۰ میلی‌آمپری سنتی است که مقدار اصلی اندازه‌گیری‌شده (مثل فشار یا دما) را منتقل می‌کند.

در کنار آن، یک سیگنال دیجیتال که با روش Frequency Shift Keying یا FSK مدوله شده است، اطلاعات اضافی نظیر وضعیت دستگاه، خطاها، پارامترهای پیکربندی و… را انتقال می‌دهد.

فرکانس‌های استفاده شده در FSK

• فرکانس ۱۲۰۰ هرتز برای بیت صفر (0)

• فرکانس ۲۲۰۰ هرتز برای بیت یک (1)

این فرکانس‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در انتقال جریان ۴-۲۰ میلی‌آمپر تداخلی ایجاد نمی‌کنند.

مزایای استفاده از پروتکل HART

نصب آسان و کم‌هزینه

یکی از مهم‌ترین مزایای HART این است که می‌توان آن را روی زیرساخت‌های موجود (کابل‌های سیگنال آنالوگ) پیاده‌سازی کرد بدون نیاز به سیم‌کشی مجدد.

اطلاعات پیشرفته

علاوه بر مقادیر اصلی، دستگاه‌های HART می‌توانند اطلاعاتی مانند شناسه دستگاه، نسخه نرم‌افزار، وضعیت کالیبراسیون، هشدارها و سایر داده‌های تشخیصی را ارائه دهند.

دوطرفه بودن ارتباط

پروتکل HART امکان دریافت فرمان از کنترلر و همچنین ارسال پاسخ از دستگاه به کنترلر را فراهم می‌کند.

یکپارچگی با سیستم‌های قدیمی

حتی اگر تنها سیگنال آنالوگ مورد استفاده قرار گیرد، باز هم می‌توان به تدریج دستگاه‌های دیجیتال HART را در همان زیرساخت اضافه کرد.

انواع ارتباط در پروتکل HART

HART نقطه به نقطه (Point-to-Point)

در این روش یک دستگاه فیلد به یک کنترلر متصل می‌شود. سیگنال ۴-۲۰ میلی‌آمپر مقدار اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد و سیگنال دیجیتال اطلاعات اضافی را منتقل می‌کند.

HART چند نقطه‌ای (Multidrop)

در حالت Multidrop، چندین دستگاه (حداکثر ۱۵ عدد) می‌توانند به یک خط ارتباطی مشترک متصل شوند. در این حالت جریان ثابت روی خط وجود دارد (معمولاً ۴ میلی‌آمپر) و تمام داده‌ها به صورت دیجیتال منتقل می‌شود.

اجزای اصلی شبکه HART

دستگاه‌های میدان (Field Devices)

این دستگاه‌ها شامل انواع سنسورها، ترانسمیترها، کنترلرها و عملگرها هستند که از پروتکل HART پشتیبانی می‌کنند.

مستر (Master)

دستگاهی است که فرمان‌ها را به دستگاه‌های فیلد ارسال و پاسخ‌ها را دریافت می‌کند. به طور کلی دو نوع مستر وجود دارد:

• Primary Master (کنترلر اصلی)

• Secondary Master (مثلاً یک هندهلد برای کالیبراسیون)

ابزار پیکربندی (HART Communicator)

ابزاری دستی یا نرم‌افزاری که برای خواندن، تغییر و بررسی تنظیمات دستگاه‌های HART به کار می‌رود.

نسخه‌های مختلف پروتکل HART

HART سیمی (Wired HART)

همان مدل کلاسیک که بر بستر سیم‌های آنالوگ کار می‌کند.

WirelessHART

نسخه بی‌سیم پروتکل HART که در سال ۲۰۰۷ معرفی شد. این نسخه امکان ارتباط بدون سیم و مقاوم در برابر نویز را در محیط‌های صنعتی فراهم می‌آورد.

ویژگی‌های WirelessHART

• کار با استاندارد IEEE 802.15.4

• معماری مش (Mesh Network)

• رمزنگاری و امنیت بالا

معایب پروتکل HART

هرچند پروتکل HART مزایای زیادی دارد، اما محدودیت‌هایی نیز وجود دارد:

• سرعت پایین انتقال داده نسبت به پروتکل‌های کاملاً دیجیتال مانند Foundation Fieldbus یا PROFIBUS.

• محدودیت تعداد دستگاه‌ها در حالت Multidrop.

• مناسب نبودن برای ارسال حجم بالای داده‌ها.

کاربردهای پروتکل HART

• صنایع نفت و گاز

• صنایع پتروشیمی

• نیروگاه‌ها

• کارخانجات تولید مواد شیمیایی

• صنایع آب و فاضلاب

تفاوت‌های اصلی پروتکل HART و Modbus

۱. نوع ارتباط

• HART:
  ترکیبی از سیگنال آنالوگ (۴-۲۰ میلی‌آمپر) و داده‌های دیجیتال روی همان خط.
  سیگنال آنالوگ همیشه وجود دارد و داده دیجیتال روی آن “سوار” می‌شود.

• Modbus:
  کاملاً دیجیتال است و از سیگنال‌های آنالوگ استفاده نمی‌کند. ارتباط دیتا مستقیم و ۱۰۰٪ دیجیتال می‌باشد.

۲. بستر ارتباط

• HART:
  از سیم‌کشی سنتی آنالوگ استفاده می‌کند (بدون نیاز به کابل‌های جدید).

• Modbus:
  معمولاً روی بستر RS-485 یا TCP/IP پیاده می‌شود که نیاز به شبکه‌بندی دیجیتال دارد.

۳. سرعت انتقال داده

• HART:
  بسیار کندتر است (حدود ۱۲۰۰ بیت بر ثانیه).

• Modbus:
  بسته به نوع (Modbus RTU یا TCP) می‌تواند از چند کیلوبیت تا چند مگابیت بر ثانیه سرعت داشته باشد.

۴. تعداد دستگاه‌های قابل اتصال

• HART:
  در حالت Multidrop، حداکثر ۱۵ دستگاه.

• Modbus:
  در شبکه RS-485 تا ۳۲ دستگاه (و حتی بیشتر با ریپیتر)، و در TCP/IP تقریباً نامحدود.

۵. معماری ارتباط

• HART:
  ارتباط معمولاً نقطه به نقطه یا Multidrop ساده.

• Modbus:
  ساختار Master-Slave دارد. یک دستگاه Master با چند Slave ارتباط برقرار می‌کند.

۶. پیچیدگی نصب و پیکربندی

• HART:
  ساده‌تر است چون از کابل‌های موجود استفاده می‌کند.

• Modbus:
  به کابل‌کشی مخصوص، آدرس‌دهی شبکه و پیکربندی دقیق نیاز دارد.

۷. کاربردها

• HART:
  بیشتر در حسگرها (ترانسمیترهای فشار، دما، دبی و …) که نیاز به اطلاعات وضعیت و کالیبراسیون دارند.

• Modbus:
  در PLCها، مانیتورینگ سیستم‌های برق صنعتی، اتوماسیون کارخانجات و سیستم‌های اسکادا استفاده می‌شود.

جدول مقایسه پروتکل HART و Modbus