پروتکل HART چیست و چگونه روی سیگنال 4-20 mA کار می‌کند؟

در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق، سیگنال 4-20 mA هنوز یکی از رایج‌ترین روش‌های انتقال مقدار اندازه‌گیری‌شده به سیستم کنترل است. اما تجهیزات هوشمند امروزی فقط یک مقدار اندازه‌گیری‌شده ندارند و می‌توانند اطلاعات دیگری مانند وضعیت دستگاه، پارامترهای تنظیمی، اطلاعات تشخیصی و متغیرهای اضافی را نیز ارائه دهند.

اینجاست که پروتکل HART وارد عمل می‌شود.

HART امکان برقراری ارتباط دیجیتال با تجهیز را فراهم می‌کند، در حالی که همان سیگنال آنالوگ 4-20 mA نیز همچنان در مدار وجود دارد.

به همین دلیل HART یکی از مهم‌ترین پروتکل‌های ارتباطی در ابزار دقیق و صنایع فرایندی محسوب می‌شود.

 

HART چیست؟

عبارت HART مخفف:

Highway Addressable Remote Transducer

است.

HART یک پروتکل ارتباطی دوطرفه برای تجهیزات هوشمند ابزار دقیق است که امکان انتقال اطلاعات دیجیتال میان Field Instrument و سیستم کنترل یا تجهیز ارتباطی را فراهم می‌کند.

به کمک HART می‌توان علاوه بر مقدار اصلی فرایند، اطلاعاتی مانند:

• وضعیت تجهیز
• Diagnostics
• متغیرهای اضافی
• Range
• Unit
• Tag
• اطلاعات شناسایی تجهیز
• پارامترهای تنظیمی

را نیز دریافت یا تغییر داد.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های HART این است که برای بسیاری از کاربردها نیازی به حذف سیستم موجود 4-20 mA ندارد.

 

ارتباط HART با سیگنال 4-20 mA چیست؟

در یک لوپ معمولی 4-20 mA، مقدار جریان نشان‌دهنده مقدار متغیر اصلی فرایند یا Primary Variable است.

برای مثال فرض کنید یک Pressure Transmitter دارای Range زیر باشد:

0 تا 10 bar

در این حالت معمولاً:

0 bar = 4 mA

و:

10 bar = 20 mA

خواهد بود.

مقادیر بین این دو نیز به‌صورت متناسب روی بازه 4 تا 20 میلی‌آمپر قرار می‌گیرند.

اما اگر تجهیز از HART پشتیبانی کند، علاوه بر این سیگنال آنالوگ، اطلاعات دیجیتال نیز روی همان سیم منتقل می‌شود.

یعنی:

4-20 mA = انتقال مقدار اصلی فرایند

و:

HART = انتقال اطلاعات دیجیتال تکمیلی

 

HART چگونه روی سیگنال 4-20 mA کار می‌کند؟

HART برای ارتباط دیجیتال سنتی خود از تکنیکی به نام:

FSK – Frequency Shift Keying

استفاده می‌کند.

در این روش یک سیگنال دیجیتال با سطح پایین روی سیگنال جریان DC مربوط به 4-20 mA قرار می‌گیرد.

این سیگنال دیجیتال از دو فرکانس استفاده می‌کند:

1200 Hz

و

2200 Hz

که برای نمایش دو حالت منطقی دیجیتال یعنی 1 و 0 استفاده می‌شوند.

در HART FSK:

1200 Hz = Logic 1

2200 Hz = Logic 0

به این ترتیب اطلاعات دیجیتال بدون نیاز به کابل جداگانه روی همان مدار دو سیمه منتقل می‌شوند.

 

چرا سیگنال HART باعث تغییر مقدار 4-20 mA نمی‌شود؟

یکی از نکات مهم HART این است که سیگنال دیجیتال FSK به‌گونه‌ای روی جریان آنالوگ قرار می‌گیرد که مقدار متوسط آن تقریباً صفر است.

در نتیجه سیگنال دیجیتال باعث تغییر مقدار متوسط جریان 4-20 mA نمی‌شود.

برای مثال اگر ترانسمیتر در حال ارسال:

12 mA

باشد، HART سیگنال دیجیتال خود را روی همین جریان قرار می‌دهد؛ اما سیستم کنترل همچنان مقدار آنالوگ 12 mA را به‌عنوان مقدار اصلی فرایند دریافت می‌کند.

در همان زمان یک HART Communicator یا سیستم سازگار با HART می‌تواند اطلاعات دیجیتال تجهیز را بخواند.

بنابراین دو نوع ارتباط به‌صورت هم‌زمان وجود دارد:

Analog Communication

و

Digital Communication

 

نرخ انتقال اطلاعات در HART

HART FSK سنتی با سرعت:

1200 bit/s

کار می‌کند.

این سرعت در مقایسه با شبکه‌های دیجیتال جدید بالا نیست، اما برای Configuration، Diagnostics، Maintenance و انتقال اطلاعات تجهیزات ابزار دقیق مناسب است.

در حالت معمول ارتباط HART می‌تواند چند بار در ثانیه اطلاعات دیجیتال را به‌روزرسانی کند.

 

HART چه اطلاعاتی را منتقل می‌کند؟

در یک تجهیز هوشمند HART معمولاً می‌توان اطلاعات بسیار بیشتری از مقدار 4-20 mA دریافت کرد.

از جمله:

Primary Variable – PV

متغیر اصلی اندازه‌گیری‌شده.

Secondary Variable – SV

متغیر ثانویه.

Tertiary Variable – TV

متغیر سوم.

Quaternary Variable – QV

متغیر چهارم.

بسته به نوع تجهیز، این متغیرها می‌توانند شامل فشار، دما، Flow، Level یا سایر مقادیر محاسبه‌شده باشند.

HART همچنین می‌تواند اطلاعات مربوط به وضعیت دستگاه، Warning، Alarm، Diagnostics و Configuration را منتقل کند.

 

HART Communicator چیست؟

HART Communicator دستگاهی است که برای برقراری ارتباط با تجهیزات HART استفاده می‌شود.

با اتصال Communicator به لوپ، تکنسین می‌تواند اطلاعات دستگاه را مشاهده یا برخی پارامترها را تنظیم کند.

از Communicator می‌توان برای کارهایی مانند:

• مشاهده Process Variable
• تنظیم Range
• تغییر Unit
• تنظیم Tag
• بررسی Diagnostics
• Loop Test
• Zero Trim
• Sensor Trim
• Configuration

استفاده کرد.

نمونه‌های شناخته‌شده آن شامل مدل‌هایی مانند:

Emerson 375

Emerson 475

و

AMS Trex Device Communicator

هستند.

 

HART Modem چیست؟

برای اتصال کامپیوتر یا نرم‌افزارهای مدیریت تجهیزات به یک تجهیز HART می‌توان از HART Modem استفاده کرد.

HART Modem سیگنال HART موجود روی لوپ را دریافت کرده و امکان ارتباط نرم‌افزار با تجهیز را فراهم می‌کند.

این روش در Maintenance، Configuration و Asset Management کاربرد زیادی دارد.

 

HART Master و Slave چیست؟

در ارتباط سنتی HART معمولاً یک Host یا Master درخواست را ارسال می‌کند و Field Device پاسخ می‌دهد.

Master می‌تواند تجهیزاتی مانند:

• HART Communicator
• PLC
• DCS
• Asset Management System

باشد.

Field Device نیز می‌تواند یک Pressure Transmitter، Temperature Transmitter، Flowmeter، Positioner یا تجهیز هوشمند دیگر باشد.

 

اتصال HART Communicator چگونه انجام می‌شود؟

یکی از مزایای HART این است که Communicator معمولاً می‌تواند به‌صورت موازی به دو نقطه مناسب روی لوپ متصل شود.

یعنی برای برقراری ارتباط معمولاً نیازی نیست مسیر سیگنال 4-20 mA قطع شود.

پس از اتصال، Communicator سیگنال دیجیتال HART را تشخیص داده و با Field Device ارتباط برقرار می‌کند.

البته مدار باید شرایط الکتریکی مناسب برای ارتباط HART را داشته باشد.

 

نقش مقاومت در ارتباط HART

برای اینکه سیگنال HART به‌درستی قابل تشخیص باشد، Loop باید دارای امپدانس مناسب باشد.

در بسیاری از مدارهای HART از مقاومت حدود:

250 Ω

استفاده می‌شود.

به همین دلیل هنگام تست یک HART Transmitter روی میز ممکن است مدار شامل موارد زیر باشد:

24 VDC Power Supply

HART Transmitter

250 Ω Resistor

HART Communicator

باشد.

البته مقدار دقیق Load و الزامات مدار باید بر اساس Datasheet تجهیز و مشخصات Loop بررسی شود و نباید تصور کرد که در تمام مدارها الزاماً یک مقاومت خارجی 250 اهم جداگانه مورد نیاز است.

 

اگر مقاومت مناسب وجود نداشته باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

ممکن است سیگنال 4-20 mA به‌درستی وجود داشته باشد، اما HART Communicator نتواند با تجهیز ارتباط برقرار کند.

یکی از مواردی که در چنین شرایطی باید بررسی شود، Load یا Loop Resistance است.

البته مشکلات ارتباط HART می‌توانند دلایل دیگری مانند Wiring نامناسب، نویز، منبع تغذیه، اتصال اشتباه Communicator یا عدم پشتیبانی تجهیز از HART نیز داشته باشند.

 

Point-to-Point در HART چیست؟

یکی از حالت‌های رایج استفاده از HART، Point-to-Point است.

در این حالت یک Field Device در Loop قرار دارد و مقدار اصلی فرایند از طریق 4-20 mA منتقل می‌شود.

ارتباط HART نیز روی همان Loop برای Configuration و Diagnostics استفاده می‌شود.

این حالت در بسیاری از ترانسمیترهای صنعتی رایج است.

 

Multidrop در HART چیست؟

HART همچنین قابلیت استفاده در ساختار Multidrop را دارد.

در این حالت چند تجهیز می‌توانند روی یک شبکه HART قرار بگیرند و از طریق آدرس‌های مختلف شناسایی شوند.

Multidrop بیشتر بر ارتباط دیجیتال متکی است و رفتار Loop آن با Point-to-Point معمولی تفاوت دارد.

بنابراین هنگام طراحی چنین شبکه‌ای باید تنظیمات دستگاه‌ها و نسخه HART مورد استفاده بررسی شود.

 

Burst Mode چیست؟

در ارتباط معمول HART، Master درخواست ارسال می‌کند و Field Device پاسخ می‌دهد.

اما در Burst Mode دستگاه می‌تواند برخی اطلاعات مشخص را به‌صورت تکرارشونده ارسال کند.

این حالت باعث افزایش سرعت دسترسی به داده‌های دیجیتال نسبت به Polling معمول می‌شود.

 

کاربرد HART در Pressure Transmitter

یکی از رایج‌ترین کاربردهای HART در Pressure Transmitterها است.

فرض کنید یک Pressure Transmitter خروجی:

4-20 mA + HART

دارد.

سیستم کنترل می‌تواند مقدار Pressure را از جریان 4-20 mA دریافت کند.

در عین حال تکنسین می‌تواند با HART Communicator اطلاعاتی مانند:

• Pressure
• Sensor Temperature
• LRV
• URV
• Unit
• Tag
• Device Status
• Diagnostics

را مشاهده کند.

 

کاربرد HART در Positioner

HART فقط مختص ترانسمیترها نیست.

بسیاری از Smart Positionerهای کنترل ولو نیز از HART پشتیبانی می‌کنند.

در چنین تجهیزاتی می‌توان از طریق HART پارامترهایی مانند Configuration، Calibration، Valve Position و اطلاعات Diagnostic را بررسی کرد.

این قابلیت به‌ویژه در نگهداری و عیب‌یابی Control Valve اهمیت زیادی دارد.

 

تفاوت 4-20 mA معمولی با 4-20 mA HART

در سیستم معمولی 4-20 mA، عمدتاً یک متغیر فرایندی از طریق مقدار جریان منتقل می‌شود.

اما در:

4-20 mA + HART

همان مقدار اصلی همچنان به‌صورت آنالوگ منتقل می‌شود، در حالی که اطلاعات دیجیتال اضافی نیز روی همان سیم قابل دسترسی هستند.

بنابراین HART بدون کنار گذاشتن زیرساخت رایج 4-20 mA، قابلیت‌های تجهیزات هوشمند را به سیستم اضافه می‌کند.

 

مزایای پروتکل HART

یکی از مهم‌ترین مزایای HART سازگاری آن با زیرساخت سنتی 4-20 mA است.

در بسیاری از موارد می‌توان بدون تعویض کابل‌کشی موجود از قابلیت‌های دیجیتال دستگاه استفاده کرد.

از دیگر مزایای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ارتباط دوطرفه با تجهیز
• Configuration از راه Loop
• دسترسی به Diagnostics
• دسترسی به متغیرهای اضافی
• شناسایی تجهیز
• کاهش نیاز به مراجعه مستقیم به تنظیمات محلی
• امکان انجام برخی تست‌ها و تنظیمات
• استفاده از ابزارهای مدیریت تجهیزات

 

محدودیت‌های HART

با وجود مزایای زیاد، HART محدودیت‌هایی نیز دارد.

سرعت انتقال داده در HART FSK سنتی نسبت به شبکه‌های دیجیتال جدید پایین‌تر است.

همچنین کیفیت Wiring، Load، نویز الکتریکی و طراحی Loop می‌تواند روی کیفیت ارتباط تأثیر بگذارد.

بنابراین وجود خروجی HART روی یک دستگاه به‌تنهایی تضمین نمی‌کند که در هر مدار و هر شرایطی ارتباط بدون مشکل برقرار شود.

 

آیا HART همان 4-20 mA است؟

خیر.

4-20 mA یک روش انتقال آنالوگ مقدار Process Variable از طریق جریان الکتریکی است.

HART یک پروتکل ارتباط دیجیتال است.

اما این دو می‌توانند به‌صورت هم‌زمان روی یک Loop کار کنند.

به همین دلیل روی بسیاری از تجهیزات عبارت:

4-20 mA HART

یا

4-20 mA + HART

دیده می‌شود.

 

مثال ساده از عملکرد HART روی 4-20 mA

فرض کنید یک Pressure Transmitter دارای Range زیر است:

0 تا 100 bar

و فشار واقعی فرایند:

50 bar

باشد.

اگر Transfer Function خطی باشد، خروجی آنالوگ تقریباً:

12 mA

خواهد بود.

DCS مقدار 12 mA را دریافت کرده و آن را به 50 bar تبدیل می‌کند.

در همان زمان روی همین دو سیم، سیگنال دیجیتال HART نیز وجود دارد.

یک HART Communicator می‌تواند به Loop متصل شود و علاوه بر فشار 50 bar، اطلاعات دیگری مانند Tag، Range، Device Status، Sensor Temperature و Diagnostics را دریافت کند.

بنابراین:

سیگنال آنالوگ → مقدار اصلی فرایند

سیگنال HART → اطلاعات دیجیتال و مدیریتی تجهیز

 

جمع‌بندی

پروتکل HART یکی از پرکاربردترین روش‌های ارتباطی تجهیزات هوشمند در ابزار دقیق است.

ویژگی مهم HART این است که ارتباط دیجیتال را روی همان زیرساخت رایج 4-20 mA فراهم می‌کند.

در HART سنتی، سیگنال دیجیتال با استفاده از روش FSK و فرکانس‌های 1200 و 2200 هرتز روی سیگنال آنالوگ قرار می‌گیرد.

به دلیل ساختار این سیگنال، مقدار متوسط جریان 4-20 mA تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد و سیستم می‌تواند به‌صورت هم‌زمان از ارتباط آنالوگ و دیجیتال استفاده کند.

به این ترتیب DCS یا PLC می‌تواند مقدار اصلی Process Variable را از 4-20 mA دریافت کند و در همان زمان HART Communicator یا Asset Management System به اطلاعاتی مانند Configuration، Diagnostics و متغیرهای اضافی تجهیز دسترسی داشته باشد.

همین ترکیب سادگی 4-20 mA و قابلیت‌های ارتباط دیجیتال، HART را به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های ارتباطی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و سایر صنایع فرایندی تبدیل کرده است.