Autor: Bartosz Fras
Co to jest, jak działa i gdzie jest wykorzystywany protokół HART?
Technologia wykorzystująca niskoprądowy sygnał komunikacyjny w zakresie 4 – 20 mA jest obecna w przemyśle od ponad 40 lat. Dzięki temu rozwiązaniu istotne informacje z urządzeń pomiarowych mogą być przekazane do systemu nadrzędnego, tzw. DCS lub do sterownika PLC. Zaletą tego rodzaju komunikacji jest prostota oraz wykorzystanie dwuprzewodowej linii zarówno do zasilania, jak i transmisji sygnału pomiarowego. Gdy mówimy o pomiarze ciągłym, wartość 4 mA odpowiada poziomowi 0%, podczas gdy 20 mA będzie oznaczać 100%. W przypadku uszkodzenia linii wartość prądu spada do 0 mA, a zatem w łatwy sposób uzyskujemy także prostą informację diagnostyczną. Kolejną zaletą jest możliwość transmisji sygnału nawet na odległości rzędu 1000 m. Dzisiaj komunikacja analogowa jest wykorzystana nawet w najprostszych czujnikach pomiarowych. Dla wielu zastosowań jednak przesyłanie tylko jednej informacji z czujnika to za mało.
Jak działa HART?
W latach 70-tych ubiegłego stulecia firma badawcza Bell Labs opracowała standard Bell 202 wdrożony szerzej w przemyśle w drugiej połowie lat 80-tych. Rewolucyjne rozwiązanie wykorzystujące protokół komunikacyjny HART (Highway Addressable Romete Transducer) umożliwiło pracę urządzeń zarówno w trybie analogowym, jak i cyfrowym. Dostosowanie sygnału analogowego do HART polega na nałożeniu sygnału zmiennoprądowego, gdzie logicznej jedynce odpowiada 1200 Hz, a zeru – 2200 Hz. Średnia wartość przemiennego sygnału cyfrowego jest równa zeru, więc nie ma obaw o wzajemne zakłócanie się z sygnałem stałoprądowym. Oprócz podstawowej informacji pomiarowej przy użyciu HART można wysłać dodatkowe dane jak nastawy kalibracyjne, oznaczenie punktu pomiarowego czy inne komunikaty diagnostyczne wykorzystując to samo, dwuprzewodowe podłączenie. Protokół ten umożliwia zmianę zakresu i diagnostykę urządzeń, jednak w przypadku komunikacji cyfrowej czasy odpowiedzi są bardzo wolne, dlatego komunikacja ta służy głównie do zmiany nastaw i diagnostyki. Niemniej jest on dzisiaj standardem komunikacji urządzeń pomiarowych w przemyśle, a wykorzystują go wszyscy producenci aparatury m. in. Endress+Hauser, Emerson, Yokogawa czy ABB.
HART jest najczęściej wykorzystywany jako protokół master-slave, gdzie przyrząd podrzędny (slave) wysyła dane tylko na żądanie urządzenia nadrzędnego (master). Urządzeniem nadrzędnym może być konsola w stacji sterowania lub ręczny programator HART w postaci dedykowanego urządzenia mobilnego lub modemu podłączanego do laptopa.
Poniżej znajdziecie film prezentujący działanie i zastosowanie protokołu HART.
Rozwój protokołu i nowe zastosowania
W celu koordynacji działań oraz właściwego stosowania powołano fundację skupiającą producentów aparatury HART Foundation. Ta niezależna organizacja zajmuje się rozwojem oraz wspieraniem tego otwartego standardu komunikacyjnego i koordynuje prace nad nim. Obecnie najnowsza wersja to HART 7.1. Wraz z rozwojem samego protokołu i usprawnieniami przesyłu danych pojawiły się też takie rozwiązania jak Wireless HART, czyli komunikacja bezprzewodowa, umożliwiająca np. transmisję sygnału z miejsc niepodłączonych do tej pory do systemu nadrzędnego. Używany dotychczas sposób komunikacji, wykorzystywany głównie do programowania i diagnostyki, coraz częściej jest głównym lub redundantnym kanałem komunikacyjnym. Za jego pośrednictwem możemy wysłać do czterech dodatkowych wartości z urządzenia pomiarowego. Na przykład w radarze bezkontaktowym FMR62 produkcji Endress+Hauser mogą to być: poziom, odległość, temperatura elektroniki, amplituda echa czy inne informacje związane z zaawansowaną diagnostyką.
HART jako baza do cyfryzacji zakładu
Jednym z ciekawszych zastosowań protokołu HART jest prosta implementacja danych z urządzeń do rozwiązania chmurowego. Do korzystania z szerokich możliwości, jakie niesie ze sobą chmura obliczeniowa, przekonuje się coraz więcej przedsiębiorstw. Dostęp do danych pomiarowych i diagnostycznych z dowolnego miejsca o dowolnej porze, możliwość analizy danych historycznych, nowe możliwości optymalizacji procesów, skrócenie czasu niezbędnego do usunięcia awarii czy diagnostyka predykcyjna wraz z szeregiem innych zalet powodują, że coraz częściej można usłyszeć o tzw. cyfrowej rewolucji. Urządzenia posiadające komunikację HART śmiało możemy nazywać cyfrowymi, a co za tym idzie w większości wypadków są one już gotowe do współpracy ze środowiskiem chmurowym.
Jednym z przykładów takiego rozwiązania jest ekosystem Netilion dostępny jako usługa firmy Endress+Hauser.
Dowolne urządzenie HART może zostać połączone do chmury za pośrednictwem bramki, a następnie urządzenia brzegowego przesyłającego informacje do chmury obliczeniowej, pracującej w oparciu o bezpieczne rozwiązanie AWS (Amazon Web Services).
Możemy także wykorzystać łączność bezprzewodową Wireless HART lub wyposażyć dostępne urządzenie w specjalny adapter, który taką łączność umożliwi.
Aby rozpocząć korzystanie z zalet najnowszych rozwiązań cyfrowych, nie jest wymagana zatem gruntowna przebudowa zakładu. W wielu przypadkach użytkownicy mają do czynienia z urządzeniami cyfrowymi, których potencjał nie jest wykorzystywany.
Wystarczy jednak niewielki krok, by znany do tej pory sposób komunikacji wykorzystać zdecydowanie szerzej i w połączeniu z najnowszymi technologiami informacyjnymi zaoferować użytkownikowi nieznane do tej pory usprawnienia. Protokół HART z pewnością może stanowić doskonałą podstawę do wprowadzenia cyfrowych rozwiązań w zakładzie.
