HART là gì? Tổng quan về giao thức HART

Giao thức HART là gì?

Giao thức HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một tiêu chuẩn toàn cầu để gửi và nhận thông tin tín hiệu kỹ thuật số (Digital) trên cùng đường truyền tín hiệu tương tự Analog giữa các thiết bị thông minh và hệ thống điều khiển hoặc giám sát hoặc thiết bị truyền thông cầm tay.

Cụ thể hơn, HART là một giao thức truyền thông hai chiều cung cấp khả năng truy cập dữ liệu giữa các thiết bị trường thông minh và hệ thống máy chủ (DCS / PLC hoặc Handheld Communicator). Máy chủ có thể là bất kỳ ứng dụng phần mềm nào từ thiết bị cầm tay hoặc PC để kiểm soát một nhà máy xử lý, quản lý thiết bị, an toàn hoặc hệ thống khác.

Giao thức Hart được phát triển bởi Emerson vào những năm 1980 như một giao thức truyền thông độc quyền, để giải quyết các khiếm khuyết trong giao thức truyền thông 4-20mA hiện có (giao thức này chỉ có thể truyền một tham số hoặc giá trị đo được). Với HART, các nỗ lực tự động hóa công nghiệp có thể đạt được giao tiếp hai chiều khắc phục các nhược điểm của 4-20mA, nhưng cũng giữ lại cơ sở hạ tầng của nó vì giao thức HART có thể gửi tín hiệu kỹ thuật số đồng thời với các tín hiệu tương tự mà không bị méo hoặc nhiễu. Giúp cho các công ty không phải tái đầu tư hệ thống thiết bị mà vẫn sử dụng được giao thức Hart.

Giao thức HART hoạt động như thế nào?

Giao thức HART sử dụng tiêu chuẩn Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) để chồng các tín hiệu kỹ thuật số ở mức thấp lên trên 4-20mA.

Giao thức HART

Frequency Shift Keying

Giao thức truyền thông HART dựa trên tiêu chuẩn giao tiếp Bell 202 và hoạt động bằng cách sử dụng nguyên tắc khóa dịch chuyển tần số (Frequency Shift Keying – FSK). Tín hiệu kỹ thuật số được tạo thành từ hai tần số: 1200 Hz và 2200 Hz đại diện cho các bit 1 và 0 tương ứng. Sóng hình sin của hai tần số này được chồng lên đường tín hiệu tương tự dòng điện một chiều (DC) để cung cấp thông tin liên lạc tương tự và kỹ thuật số đồng thời. Vì giá trị trung bình của tín hiệu FSK luôn bằng 0 nên tín hiệu tương tự 4–20 mA không bị ảnh hưởng. Tín hiệu kỹ thuật số có thời gian đáp ứng khoảng 2-3 lần cập nhật dữ liệu mỗi giây mà không làm gián đoạn tín hiệu tương tự. Cần có trở kháng vòng tối thiểu là 230 W để giao tiếp.

Điều này cho phép giao tiếp trường hai chiều diễn ra và giúp thông tin bổ sung ngoài biến quy trình thông thường có thể được truyền đạt đến/ đi từ một thiết bị trường thông minh. Giao thức HART giao tiếp ở tốc độ 1200 bps mà không làm gián đoạn tín hiệu 4-20mA và cho phép ứng dụng Master nhận hai hoặc nhiều bản cập nhật kỹ thuật số mỗi giây từ một thiết bị trường thông minh.

Công nghệ HART là một giao thức chủ/ tớ (master/ slave), có nghĩa là thiết bị trường thông minh (Slave) chỉ nói khi được Master hỏi. Giao thức HART có thể được sử dụng ở nhiều chế độ khác nhau như điểm-điểm hoặc đa điểm để truyền thông tin đến / từ các thiết bị trường thông minh và hệ thống giám sát hoặc điều khiển trung tâm.

Giao thức HART cung cấp hai kênh giao tiếp đồng thời: tín hiệu tương tự 4-20mA và tín hiệu kỹ thuật số. Tín hiệu 4-20mA giao tiếp giá trị đo chính (trong trường hợp của thiết bị hiện trường) bằng cách sử dụng vòng lặp dòng điện 4-20mA – tiêu chuẩn công nghiệp nhanh nhất và đáng tin cậy nhất. Thông tin thiết bị bổ sung được giao tiếp bằng cách sử dụng tín hiệu kỹ thuật số được đặt chồng lên tín hiệu tương tự.

Tín hiệu kỹ thuật số chứa thông tin từ thiết bị bao gồm trạng thái thiết bị, chẩn đoán, các giá trị được đo hoặc tính toán bổ sung, v.v. Cùng với nhau, hai kênh truyền thông cung cấp giải pháp truyền thông trường hoàn chỉnh chi phí thấp và rất mạnh mẽ, dễ sử dụng và cấu hình.

Mạng HART

Thiết bị HART có thể hoạt động ở một trong hai cấu hình mạng: điểm – điểm hoặc đa điểm.

Điểm – Điểm (POINT-TO-POINT)

Giao tiếp HART xảy ra giữa hai thiết bị hỗ trợ HART, thường là thiết bị trường thông minh và hệ thống điều khiển hoặc giám sát. Giao tiếp xảy ra bằng cách sử dụng dây cấp thiết bị đo tiêu chuẩn và sử dụng các phương pháp đấu dây và kết thúc tiêu chuẩn.

HART cung cấp tới hai Master (sơ cấp và thứ cấp). Điều này cho phép Master thứ cấp như thiết bị cầm tay được sử dụng mà không can thiệp tới thông tin liên lạc đến / đi của Master sơ cấp (hệ thống điều khiển / giám sát).

Giao thức HART cho phép tất cả giao tiếp kỹ thuật số với các thiết bị hiện trường trong các cấu hình mạng điểm-điểm hoặc đa điểm:

Chế độ đa điểm (Multidrop)

Chế độ cấu hình mạng Multi-Drop cho phép một số thiết bị được kết nối trên cùng một cặp dây. Giao tiếp ở chế độ đa điểm hoàn toàn là kỹ thuật số vì giao tiếp qua dòng tương tự bị tắt vì dòng điện qua mỗi thiết bị được cố định ở giá trị tối thiểu vừa đủ cho hoạt động của thiết bị (thường là 4mA).

Chế độ giao tiếp

Chế độ Master Slave

HART là giao thức truyền thông dạng chủ/tớ (Master/Slaver), nghĩa là thiết bị tại hiện trường (slaver) chỉ có thể giao tiếp với Master. HART có thể được sử dụng trong các chế độ truyền thông khác nhau để truyền tải thông tin từ các cảm biến thông minh tới hệ thống điều khiển/giám sát trung tâm.

Chế độ Burst

Để phù hợp với các yêu cầu ứng dụng, giao thức có một chế độ giao tiếp khác được gọi là Chế độ “Burst”. Trong chế độ này, các thiết bị “tớ” có thể gửi một mẩu thông tin duy nhất, liên tục mà không cần yêu cầu lặp lại từ chủ. Chế độ này cung cấp tốc độ giao tiếp nhanh hơn với tối đa 3-4 bản cập nhật mỗi giây và nó thường được sử dụng trong các tình huống yêu cầu nhiều hơn một thiết bị HART để nghe giao tiếp từ vòng lặp HART.

Những lợi ích từ giao thức Hart

Giao tiếp hai chiều

Ví dụ, việc sử dụng tín hiệu tương tự 4-20mA cho phép luồng thông tin chỉ theo một hướng (Máy phát đến máy thu). Với Giao tiếp HART, dữ liệu có thể truyền theo cả hai hướng.

Ngoài các kênh giao tiếp truyền thống như 4-20mA chỉ cho phép giao tiếp một biến quy trình duy nhất mà không có chỗ để xác thực. Với HART, bạn có thể nhận được nhiều thông tin bổ sung cùng với biến quy trình như: Trạng thái thiết bị & cảnh báo chẩn đoán; Xử lý biến & đơn vị; Vòng lặp dòng & % thang đo; Các thông số cấu hình cơ bản; Thông tin nhà sản xuất & thiết bị,…

Khả năng tương tác

Các thiết bị và hệ thống máy chủ tương thích với HART có thể hoạt động cùng nhau bất kể nhà cung cấp, kiểu máy và các vấn đề về khả năng tương thích / tương tác khác ảnh hưởng đến mạng.

Ngay cả các thiết bị chủ không được thiết kế để xử lý thông tin kỹ thuật số từ thiết bị HART vẫn sẽ có một số mức độ tương tác với giao tiếp thông qua tín hiệu tương tự 4-20 mA.

Khả năng mở rộng

Một lợi thế đáng kể của giao thức HART là ứng dụng trên toàn thế giới và sự chấp nhận của nó trên khắp các thị trường và ngành công nghiệp khác nhau. Độc lập với các nhà sản xuất và nhà cung cấp, giao tiếp mở được thực hiện thông qua các lệnh được thiết lập, chuẩn hóa. Đối với các thế hệ thiết bị hiện trường ngày nay, sự hỗ trợ của các chức năng HART là một tính năng tiêu chuẩn. Các hệ thống điều khiển quá trình cũng hỗ trợ kết nối HART.

HART dựa trên hệ thống dây điện thông thường, các nhà máy hiện tại có thể được mở rộng liên tục. Điều này có nghĩa là khi chọn HART, các cài đặt trường vẫn không thay đổi vì hầu hết các thiết bị 4 mA… 20 mA là các thiết bị có khả năng giao tiếp HART. Giao thức HART cũng hoàn toàn tương thích với các tiêu chuẩn tương tự và các phương thức giao tiếp kỹ thuật số. Không cần tham số dây bổ sung hoặc tham số phần cứng và phần mềm.