انواع خروجی رایج در ابزار دقیق؛ 4-20 mA، HART، Pulse، Fieldbus و PROFIBUS

در تجهیزات ابزار دقیق، اندازه‌گیری پارامترهایی مانند فشار، دما، سطح و دبی تنها بخش اول فرآیند است. اطلاعات اندازه‌گیری‌شده باید از طریق یک خروجی مناسب به PLC، DCS، کنترلر، نمایشگر یا سیستم مانیتورینگ منتقل شود.

در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاه و سایر صنایع فرآیندی، چند نوع خروجی و پروتکل ارتباطی بیش از بقیه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مهم‌ترین آنها عبارت‌اند از:

• 4–20 mA
• HART
• Pulse
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS

هرکدام از این روش‌ها ساختار، کاربرد و مزایای خاص خود را دارند و انتخاب صحیح آنها به نوع تجهیز، سیستم کنترل و نیازهای پروژه بستگی دارد.

 

تفاوت سیگنال خروجی و پروتکل ارتباطی چیست؟

پیش از بررسی انواع خروجی‌ها، باید یک تفاوت مهم را بدانیم.

4–20 mA و Pulse در اصل نوعی سیگنال خروجی هستند.

اما:

HART، FOUNDATION Fieldbus و PROFIBUS

پروتکل‌های ارتباطی محسوب می‌شوند.

به همین دلیل، برای مثال اصطلاح:

4–20 mA + HART

از نظر فنی دقیق‌تر از عبارت «خروجی HART» است.

در این حالت مقدار اصلی فرآیند از طریق جریان 4–20 mA منتقل می‌شود و اطلاعات دیجیتال نیز توسط HART در دسترس قرار می‌گیرند.

 

خروجی 4–20 mA چیست؟

4–20 mA رایج‌ترین سیگنال آنالوگ در سیستم‌های ابزار دقیق است.

در این روش، مقدار اندازه‌گیری‌شده توسط تجهیز به جریان الکتریکی بین 4 تا 20 میلی‌آمپر تبدیل می‌شود.

معمولاً:

4 mA = حد پایین Range

و

20 mA = حد بالای Range

است.

برای مثال اگر یک Pressure Transmitter دارای Range برابر 0 تا 10 bar باشد:

• در 0 bar خروجی حدود 4 mA است.
• در 5 bar خروجی حدود 12 mA است.
• در 10 bar خروجی حدود 20 mA است.

 

چرا 4 mA به عنوان نقطه صفر انتخاب شده است؟

یکی از دلایل اصلی استفاده از 4 mA، مفهوم Live Zero است.

اگر مقدار صفر فرآیند با 0 mA نمایش داده می‌شد، تشخیص این موارد دشوار بود:

• مقدار واقعی فرآیند صفر است.
• سیم قطع شده است.
• تغذیه تجهیز از بین رفته است.
• Loop دچار خطا شده است.

در سیستم 4–20 mA، مقدار صفر فرآیند با 4 mA نمایش داده می‌شود.

بنابراین جریان بسیار پایین یا نزدیک صفر می‌تواند نشان‌دهنده وجود مشکل در مدار باشد.

 

مزایای خروجی 4–20 mA

مهم‌ترین مزایای این سیگنال عبارت‌اند از:

• مقاومت مناسب در برابر نویز
• قابلیت انتقال سیگنال در فاصله نسبتاً زیاد
• ساختار ساده
• عیب‌یابی آسان
• سازگاری بسیار زیاد با PLC و DCS
• قابلیت تشخیص برخی خطاهای Loop
• امکان استفاده در بسیاری از ترانسمیترهای دو سیمه

به همین دلیل 4–20 mA همچنان یکی از اصلی‌ترین استانداردهای انتقال سیگنال در ابزار دقیق است.

 

2-Wire در خروجی 4–20 mA چیست؟

بسیاری از ترانسمیترهای صنعتی به صورت 2-Wire طراحی می‌شوند.

در این تجهیزات همان دو سیم برای:

• تأمین تغذیه
• انتقال سیگنال 4–20 mA

استفاده می‌شوند.

این طراحی باعث کاهش سیم‌کشی و ساده‌تر شدن نصب تجهیزات می‌شود.

ترانسمیترهای فشار، دما، سطح و دبی زیادی با این ساختار عرضه می‌شوند.

 

HART چیست؟

HART مخفف:

Highway Addressable Remote Transducer

است.

HART یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است که در بسیاری از تجهیزات ابزار دقیق همراه با سیگنال 4–20 mA استفاده می‌شود.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های HART این است که بدون حذف سیگنال آنالوگ 4–20 mA، امکان تبادل اطلاعات دیجیتال بیشتر را فراهم می‌کند.

به همین دلیل عبارت:

4–20 mA + HART

در دیتاشیت بسیاری از ترانسمیترهای صنعتی دیده می‌شود.

 

HART چگونه روی 4–20 mA کار می‌کند؟

در یک تجهیز HART، مقدار اصلی فرآیند همچنان توسط 4–20 mA منتقل می‌شود.

اما روی همان Loop، اطلاعات دیجیتال اضافی نیز قابل انتقال هستند.

بنابراین سیستم کنترل می‌تواند مقدار اصلی فرآیند را مانند یک تجهیز عادی 4–20 mA دریافت کند.

در عین حال، با استفاده از تجهیزات یا سیستم‌های سازگار با HART می‌توان به اطلاعات بیشتری دسترسی داشت.

 

چه اطلاعاتی از طریق HART منتقل می‌شود؟

بسته به نوع تجهیز، HART می‌تواند اطلاعات مختلفی ارائه دهد.

برای مثال:

• Process Variable
• Range
• Unit
• Tag
• Damping
• Device Status
• Diagnostic Information
• Manufacturer
• Model
• Serial Number
• Configuration Parameters

در نتیجه HART تنها برای انتقال مقدار اندازه‌گیری‌شده نیست و در تنظیم، عیب‌یابی و نگهداری تجهیزات نیز کاربرد زیادی دارد.

 

HART Communicator چیست؟

HART Communicator یا Field Communicator دستگاهی برای برقراری ارتباط با تجهیزات HART است.

از طریق این دستگاه می‌توان بسیاری از تنظیمات تجهیز را مشاهده یا تغییر داد.

برای مثال:

• تغییر Range
• تغییر Unit
• بررسی مقدار فرآیند
• بررسی وضعیت دستگاه
• مشاهده Diagnostics
• انجام برخی تنظیمات
• Commissioning

در صنایع فرآیندی استفاده از HART Communicator برای راه‌اندازی و تعمیرات تجهیزات هوشمند بسیار رایج است.

 

تفاوت 4–20 mA و HART

4–20 mA یک سیگنال آنالوگ است.

HART یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است.

در یک سیستم 4–20 mA معمولی، معمولاً مقدار اصلی فرآیند منتقل می‌شود.

اما در سیستم:

4–20 mA + HART

علاوه بر Process Variable، اطلاعات تشخیصی و تنظیمات دستگاه نیز در دسترس هستند.

به همین دلیل HART را می‌توان یک لایه ارتباطی هوشمند روی سیستم 4–20 mA در نظر گرفت.

 

Pulse Output چیست؟

Pulse Output یکی دیگر از خروجی‌های مهم در ابزار دقیق است.

این خروجی بیشتر در تجهیزاتی مانند:

• Flowmeter
• Water Meter
• Gas Meter
• Totalizer

استفاده می‌شود.

در خروجی Pulse، تجهیز به ازای مقدار مشخصی از فرآیند یک پالس تولید می‌کند.

برای مثال ممکن است یک فلومتر به این صورت تنظیم شده باشد:

1 Pulse = 1 Liter

در این حالت با شمارش تعداد پالس‌ها می‌توان حجم کل عبوری را محاسبه کرد.

 

کاربرد Pulse در فلومترها

خروجی Pulse به‌خصوص در اندازه‌گیری Total Flow کاربرد زیادی دارد.

برای مثال اگر یک فلومتر در هر 10 لیتر یک Pulse ارسال کند، با شمارش تعداد پالس‌ها می‌توان مقدار کل سیال عبوری را محاسبه کرد.

این روش در:

• سیستم‌های Batch
• Totalizing
• اندازه‌گیری مصرف
• سیستم‌های توزیع آب
• اندازه‌گیری سوخت
• خطوط فرآیندی

بسیار کاربردی است.

 

تفاوت 4–20 mA و Pulse

4–20 mA معمولاً برای انتقال مقدار لحظه‌ای فرآیند استفاده می‌شود.

برای مثال:

Instantaneous Flow

می‌تواند توسط 4–20 mA منتقل شود.

در مقابل Pulse بیشتر برای شمارش و محاسبه مقدار تجمعی استفاده می‌شود.

برای مثال:

Total Flow

می‌تواند از طریق Pulse محاسبه شود.

به همین دلیل بسیاری از فلومترها ممکن است همزمان دارای:

• 4–20 mA
• Pulse

باشند.

 

FOUNDATION Fieldbus چیست؟

FOUNDATION Fieldbus یک پروتکل ارتباطی دیجیتال برای اتوماسیون فرآیندی است.

این فناوری برای ارتباط تجهیزات Field با سیستم کنترل طراحی شده است.

تجهیزاتی مانند:

• Pressure Transmitter
• Temperature Transmitter
• Flowmeter
• Level Transmitter
• Analyzer
• Valve Positioner

می‌توانند با FOUNDATION Fieldbus کار کنند.

 

FOUNDATION Fieldbus چه تفاوتی با 4–20 mA دارد؟

در سیستم سنتی 4–20 mA، معمولاً هر تجهیز توسط یک Loop جداگانه به سیستم کنترل متصل می‌شود.

اما در Fieldbus چند تجهیز می‌توانند روی یک Bus یا Segment مشترک قرار بگیرند.

همچنین اطلاعات به‌صورت دیجیتال منتقل می‌شوند.

در نتیجه علاوه بر Process Variable، اطلاعاتی مانند:

• Diagnostics
• Device Status
• Configuration
• Multiple Variables

نیز قابل انتقال هستند.

 

FOUNDATION Fieldbus H1 چیست؟

FOUNDATION Fieldbus H1 یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در سطح Field است.

در این ساختار تجهیزات مختلف می‌توانند روی یک Segment مشترک قرار بگیرند.

این معماری در سیستم‌های Process Automation مورد استفاده قرار می‌گیرد.

FF H1 برای تجهیزات Field طراحی شده و امکان تبادل دیجیتال اطلاعات را میان Field Device و سیستم کنترل فراهم می‌کند.

 

مزایای FOUNDATION Fieldbus

مهم‌ترین مزایای آن عبارت‌اند از:

• ارتباط کاملاً دیجیتال
• امکان اتصال چند تجهیز روی یک Segment
• دسترسی به اطلاعات تشخیصی
• انتقال چند متغیر
• امکان پیکربندی تجهیزات
• کاهش کابل‌کشی در برخی پروژه‌ها
• مناسب برای سیستم‌های Process Automation

 

PROFIBUS چیست؟

PROFIBUS یکی از پروتکل‌های معروف صنعتی برای ارتباط تجهیزات اتوماسیون است.

دو نوع مهم آن عبارت‌اند از:

PROFIBUS DP

و

PROFIBUS PA

در حوزه ابزار دقیق و صنایع فرآیندی، PROFIBUS PA اهمیت بیشتری دارد.

 

PROFIBUS PA چیست؟

PROFIBUS PA مخفف:

Process Automation

است.

این پروتکل برای تجهیزات Field در صنایع فرآیندی طراحی شده است.

از جمله:

• Pressure Transmitter
• Temperature Transmitter
• Flowmeter
• Level Transmitter
• Analyzer
• Valve Positioner

PROFIBUS PA امکان انتقال اطلاعات دیجیتال میان تجهیزات Field و سیستم کنترل را فراهم می‌کند.

 

PROFIBUS DP چیست؟

PROFIBUS DP مخفف:

Decentralized Peripherals

است.

این نوع بیشتر برای ارتباط با تجهیزاتی مانند:

• Remote I/O
• Drives
• Motor Controllers
• PLC

استفاده می‌شود.

در حوزه ابزار دقیق فرآیندی، معمولاً PROFIBUS PA ارتباط مستقیم‌تری با تجهیزات Field دارد.

 

تفاوت PROFIBUS PA و PROFIBUS DP

PROFIBUS PA بیشتر برای تجهیزات Process Automation طراحی شده است.

PROFIBUS DP بیشتر در Factory Automation و تجهیزات با سرعت ارتباط بالاتر استفاده می‌شود.

در برخی سیستم‌ها PROFIBUS PA می‌تواند از طریق Coupler یا Link به شبکه PROFIBUS DP متصل شود.

 

تفاوت FOUNDATION Fieldbus و PROFIBUS PA

هر دو برای ارتباط دیجیتال تجهیزات Field در صنایع فرآیندی استفاده می‌شوند.

هر دو می‌توانند اطلاعاتی مانند:

• Process Variable
• Diagnostics
• Device Status
• Configuration

را منتقل کنند.

اما معماری شبکه، ساختار پروتکل و نحوه پیاده‌سازی آنها متفاوت است.

انتخاب میان این دو معمولاً به مواردی مانند:

• نوع DCS
• استاندارد پروژه
• برند تجهیزات
• معماری سیستم کنترل
• زیرساخت موجود

بستگی دارد.

 

تفاوت HART و Fieldbus

HART معمولاً همراه با 4–20 mA استفاده می‌شود.

در این سیستم همچنان Loop آنالوگ اصلی وجود دارد.

اما FOUNDATION Fieldbus یک شبکه ارتباطی دیجیتال است.

بنابراین:

HART = ارتباط دیجیتال روی زیرساخت 4–20 mA

در حالی که:

FOUNDATION Fieldbus = ارتباط کاملاً دیجیتال روی Bus مشترک

است.

 

تفاوت HART و PROFIBUS PA

در HART معمولاً هر تجهیز به صورت یک Loop جداگانه 4–20 mA به سیستم متصل می‌شود.

در PROFIBUS PA چند تجهیز می‌توانند روی یک شبکه مشترک قرار بگیرند.

HART برای استفاده از زیرساخت موجود 4–20 mA بسیار مناسب است.

PROFIBUS PA بیشتر در معماری‌های دیجیتال Fieldbus مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

مهم‌ترین خروجی‌ها در تجهیزات مختلف

Pressure Transmitter

خروجی‌های رایج می‌توانند شامل:

• 4–20 mA
• 4–20 mA + HART
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS PA

باشند.

 

Temperature Transmitter

خروجی‌های رایج:

• 4–20 mA
• HART
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS PA

 

Level Transmitter

خروجی‌های رایج:

• 4–20 mA
• HART
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS PA

 

Flowmeter

فلومترها معمولاً تنوع بیشتری در خروجی دارند.

خروجی‌های متداول:

• 4–20 mA
• HART
• Pulse
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS PA

در بسیاری از فلومترها ممکن است چند خروجی به صورت همزمان در دسترس باشند.

 

چرا نوع خروجی تجهیز هنگام خرید مهم است؟

یکی از اشتباهات رایج در خرید تجهیزات ابزار دقیق، توجه نکردن به نوع خروجی است.

ممکن است دو تجهیز مدل یکسانی داشته باشند اما Option ارتباطی آنها متفاوت باشد.

برای مثال یک ترانسمیتر ممکن است در نسخه‌های زیر عرضه شود:

• 4–20 mA
• 4–20 mA + HART
• FOUNDATION Fieldbus
• PROFIBUS PA

بنابراین تنها دانستن برند و مدل تجهیز کافی نیست.

باید موارد زیر نیز بررسی شوند:

• Output Signal
• Communication Protocol
• Order Code
• Electrical Connection
• System Compatibility

 

چگونه خروجی مناسب را انتخاب کنیم؟

انتخاب نوع خروجی به چند عامل اصلی بستگی دارد.

نوع سیستم کنترل

ابتدا باید مشخص شود PLC یا DCS از چه نوع ورودی یا پروتکلی پشتیبانی می‌کند.

 

نوع تجهیز

برخی تجهیزات تنها خروجی 4–20 mA دارند.

اما تجهیزات هوشمند ممکن است نسخه‌های HART، Fieldbus یا PROFIBUS نیز داشته باشند.

 

نیاز به Diagnostics

اگر تنها مقدار فرآیند مورد نیاز باشد، 4–20 mA می‌تواند کافی باشد.

اما اگر نیاز به:

• Diagnostics
• Device Configuration
• Device Status
• Remote Access

وجود داشته باشد، HART یا Fieldbus می‌تواند گزینه مناسب‌تری باشد.

 

معماری پروژه

در پروژه‌های سنتی معمولاً 4–20 mA و HART بسیار رایج هستند.

در پروژه‌هایی که از معماری Digital Fieldbus استفاده می‌کنند، FOUNDATION Fieldbus یا PROFIBUS PA ممکن است استفاده شود.

 

نوع اطلاعات مورد نیاز

اگر هدف انتقال مقدار لحظه‌ای فرآیند باشد:

4–20 mA

بسیار رایج است.

اگر اطلاعات تنظیمات و Diagnostics نیز مورد نیاز باشد:

HART

مناسب است.

اگر هدف اندازه‌گیری Total یا شمارش باشد:

Pulse

کاربرد زیادی دارد.

اگر ارتباط دیجیتال کامل در سطح Field مورد نیاز باشد:

FOUNDATION Fieldbus

یا

PROFIBUS PA

می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

 

خلاصه انواع خروجی و پروتکل‌های رایج ابزار دقیق

4–20 mA
رایج‌ترین سیگنال آنالوگ برای انتقال مقدار Process Variable.

HART
پروتکل دیجیتال که معمولاً همراه با 4–20 mA استفاده می‌شود و امکان دسترسی به Diagnostics و تنظیمات تجهیز را فراهم می‌کند.

Pulse
خروجی پالسی که بیشتر در فلومترها برای Totalizing و شمارش استفاده می‌شود.

FOUNDATION Fieldbus
پروتکل ارتباطی کاملاً دیجیتال برای تجهیزات Field در سیستم‌های Process Automation.

PROFIBUS PA
پروتکل دیجیتال مناسب تجهیزات Field در صنایع فرآیندی.

PROFIBUS DP
بیشتر برای تجهیزات اتوماسیون مانند Remote I/O و Drive استفاده می‌شود.

 

جمع‌بندی

در سیستم‌های ابزار دقیق، نوع خروجی و پروتکل ارتباطی تجهیز نقش بسیار مهمی در نحوه اتصال آن به سیستم کنترل دارد.

4–20 mA همچنان یکی از رایج‌ترین و قابل اعتمادترین روش‌های انتقال سیگنال در صنایع فرآیندی است.

HART امکان انتقال اطلاعات دیجیتال و دسترسی به تنظیمات و Diagnostics را در کنار همان Loop 4–20 mA فراهم می‌کند.

Pulse Output بیشتر در فلومترها برای شمارش و اندازه‌گیری مقدار تجمعی جریان استفاده می‌شود.

در سیستم‌های ارتباط دیجیتال Field، فناوری‌هایی مانند FOUNDATION Fieldbus و PROFIBUS PA امکان تبادل اطلاعات کامل‌تر میان تجهیزات Field و سیستم کنترل را فراهم می‌کنند.

در نهایت، انتخاب میان 4–20 mA، HART، Pulse، Fieldbus و PROFIBUS باید بر اساس نوع تجهیز، سیستم کنترل، معماری پروژه، نیاز به Diagnostics و اطلاعات مورد نیاز فرآیند انجام شود