تقنية HART في الأتمتة الصناعية

مقدمة

يعد HART (محول الطاقة عن بُعد القابل للعنونة على الطريق السريع) أحد أكثر تقنيات الاتصال تأثيرًا في أتمتة العمليات.

ابتكارها الأساسي هو الجمع بين:

• الإرسال التناظري التقليدي 4-20 مللي أمبير
• الاتصالات الرقمية
• تشخيص الجهاز
• التكوين عن بُعد

على نفس زوج الأسلاك.

لا تكمن القيمة الرئيسية لتقنية HART في الاتصال بحد ذاته، بل في كيفية توسيع نطاق وظائف الأدوات الصناعية دون استبدال البنية التحتية التناظرية الحالية.

من خلال تقنية HART، اكتسبت الأدوات القدرة على توفير:

• متغيرات العملية الثانوية
• مراقبة صحة الجهاز
• معلومات المعايرة
• البيانات التشخيصية
• تكوين المعلمة عن بُعد

مع الحفاظ على التوافق مع أنظمة التحكم التناظرية التقليدية.

تاريخ HART وتطوره

وُلد بروتوكول HART من الحاجة الاقتصادية للجمع بين الاتصالات الرقمية والحاجة الاقتصادية القائمة:

4-20 مللي أمبير

أنظمة الحلقة الحالية.

تم تطوير البروتوكول في الأصل من قبل:

شركة إيمرسون إلكتريك.

خلال الثمانينيات.

في ذلك الوقت، كانت المنشآت الصناعية تمتلك بالفعل قواعد ضخمة من الأجهزة التناظرية. وكان استبدال جميع الأسلاك وأنظمة التحكم بشبكات رقمية بالكامل سيكون مكلفاً للغاية.

حل HART هذه المشكلة من خلال السماح للاتصالات الرقمية بالتعايش مع الإشارات التناظرية على نفس الكابل.

لاحقًا، أصبح البروتوكول معيارًا مفتوحًا، وانتقلت ملكيته إلى:

مجموعة فيلد كوم

في عام 2015.

تم تشكيل مجموعة FieldComm Group من خلال اندماج:

• مؤسسة هارت للاتصالات HART Communication Foundation
• مؤسسة فيلدبوس

وتتمثل مهمتها في تعزيز التكامل الرقمي الموحد للأجهزة الميدانية الصناعية وأنظمة أتمتة العمليات.

واليوم، لا يزال HART أحد أكثر بروتوكولات الاتصال انتشارًا على نطاق واسع في صناعات مثل:

• النفط والغاز
• المعالجة الكيميائية
• معالجة المياه
• توليد الطاقة
• المأكولات والمشروبات
• تصنيع المستحضرات الصيدلانية

المبدأ التقني الأساسي لـ HART

الابتكار الأساسي لـ HART هو

اتصال تناظري ورقمي متزامن عبر نفس السلك.

تنقل الحلقات التناظرية التقليدية متغير عملية واحد فقط.

على سبيل المثال:

• الضغط
• التدفق
• درجة الحرارة
• المستوى

ومع ذلك، يقوم HART بتراكب الاتصال الرقمي فوق إشارة التيار التناظري.

كما وصفها أورتمانز (1996):

“يتمتع بروتوكول HART بإمكانية التواصل التناظري والرقمي.”

يتضمن البروتوكول مواصفات لـ

• الإرسال المادي
• هيكل الرسالة
• تنسيق البيانات
• إجراءات المعاملات
• أوامر الاتصال

أصبحت بنية الاتصالات الهجينة هذه أساس الأجهزة الذكية الحديثة.

تقنية الاتصال HART FSK

استخدامات HART:

FSK

تقنية الاتصال (مفتاح إزاحة التردد).

يتم تركيب الإشارة الرقمية على الإشارة الموجودة:

4-20 مللي أمبير

حلقة تيار تناظرية.

يُستخدم ترددان لتمثيل القيم الثنائية:

1200 هرتز=1

و

2200 هرتز=0

سرعة الاتصال هي:

1200 بت في الثانية

يمكن للجهاز التابع إرسال المعلومات إلى الجهاز الرئيسي، كما يمكن للجهاز الرئيسي إرسال الأوامر إلى الجهاز.

تعتمد طريقة الإرسال هذه على معيار الاتصالات الهاتفية Bell 202.

من أهم الخصائص الهندسية:

• القيمة المتوسطة لإشارة FSK تساوي صفرًا

لذلك، لا يتداخل الاتصال الرقمي مع إشارة التيار التناظري.

وهذا يسمح بذلك:

• التحكم في العمليات التناظرية
• التشخيص الرقمي

للعمل في وقت واحد.

كيف يعزز HART وظائف الأداة

حوّلت HART الأدوات الميدانية التقليدية إلى أجهزة ذكية.

وبدلاً من نقل متغير عملية واحد فقط، يمكن للأدوات الآن توفير

• المتغيرات الثانوية
• تشخيص الجهاز
• حالة المستشعر
• بيانات المعايرة
• معلومات الصيانة

على سبيل المثال:

يمكن أن ينقل جهاز إرسال الضغط:

• قيمة الضغط الأساسي
• درجة حرارة المستشعر
• حالة الإلكترونيات
• إنذارات الجهاز
• حالة المعايرة

من خلال حلقة الاتصال نفسها.

يستخدم اتصال HART على نطاق واسع للوصول إلى:

• المتغيرات الثانوية
• التشخيص
• حالة الجهاز

في بعض الأنظمة الصناعية:

تتم قراءة القيمة الأساسية باستخدام كل من الطريقتين التناظرية والرقمية للتحقق من سلامة الإشارة التناظرية والتحقق من أداء التحويل الرقمي إلى تناظري.

هذا يتحسن بشكل كبير:

• الموثوقية
• كفاءة الصيانة
• سلامة العمليات
• القدرة على الصيانة التنبؤية

الاتصال متعدد الإسقاط

يدعم HART:

• وضع نقطة إلى نقطة
• وضع الإسقاط المتعدد

في وضع الإسقاط المتعدد:

• تشترك أجهزة HART المتعددة في خط اتصال واحد
• كل جهاز له عنوان فريد
• تصبح الاتصالات رقمية في المقام الأول

هذا يقلل:

• تعقيد الأسلاك
• تكلفة التركيب
• البنية التحتية للكابلات

خاصة في المنشآت الصناعية الكبيرة.

نظام أوامر HART

تم بناء اتصالات HART حول بنية قائمة على الأوامر.

يحتوي بايت أمر HART على نطاق عدد صحيح من:

0∼253

الأوامر فوق 255 استخدام 255:

• هياكل الأوامر الموسعة

باستخدام الأمر:

31 (0x1F)

للإشارة إلى عملية الأمر الموسع.

تنقسم أوامر HART إلى خمس فئات:

• الأوامر العالمية
• أوامر الممارسة الشائعة
• الأوامر غير العامة
• الأوامر الخاصة بالجهاز
• أوامر WirelessHART اللاسلكية

الأوامر العالمية

يتم دعم الأوامر العالمية من قبل جميع الأجهزة المتوافقة مع HART.

توفر هذه الأوامر وظائف الجهاز القياسية مثل:

• قراءة المتغيرات الأساسية
• قراءة معلومات الجهاز
• الوصول إلى التشخيص
• تعريف الجهاز

الأمر الشائع الاستخدام هو:

#0

والتي غالبًا ما تُستخدم في بداية الاتصال لتحديد وحدات بايت الديباجة المطلوبة.

أمر آخر مهم آخر هو:

#48

التي تقرأ معلومات حالة الجهاز الإضافية.

ساعدت بنية الأوامر في توحيد الاتصال بين:

• وحدات التحكم
• أنظمة إدارة الأصول
• الأجهزة الميدانية

من جهات تصنيع مختلفة.

تقنيات الطبقة الفيزيائية البديلة ل HART

على الرغم من أن تقنية FSK هي أكثر تطبيقات HART شيوعًا، إلا أنه توجد أيضًا طبقات فيزيائية بديلة.

RS-485 HART

يمكن تشغيل HART باستخدام:

RS-485

بدلاً من حلقات التيار التناظرية.

وهذا يتخلى عن الإرسال التناظري ولكنه يتيح سرعات اتصال أسرع:

19.2∼38.4 كيلوبت في الثانية

مما يجعلها مماثلة للبروتوكولات الرقمية بالكامل مثل

• ناقل الأساس الميداني
• PROFIBUS PA

C8PSK HART

البديل الآخر هو:

$C8ملاحظةK$

(مفتاح تغيير الطور المتماسك 8 اتجاهات متماسك)

مما يتيح سرعات تصل إلى

9.6 كيلوبت في الثانية

داعم تقريبًا:

10 معاملات/ثانية

إذا تدهورت جودة الاتصال، يمكن للأجهزة أن تعود تلقائياً إلى الاتصال القياسي FSK.

حل المشاكل الصناعية بواسطة HART

حلّت HART العديد من مشاكل الأتمتة الصناعية الرئيسية.

الحفاظ على البنية التحتية الحالية

يمكن للمنشآت الصناعية الترقية إلى الأجهزة الرقمية دون استبدالها:

• الكابلات الموجودة
• بطاقات PLC التناظرية
• أنظمة التحكم التناظرية
• الأدوات المثبتة

وقد أدى ذلك إلى خفض تكاليف التحديث بشكل كبير.

إضافة التشخيص إلى الأنظمة التناظرية

لم توفر أنظمة 4-20 مللي أمبير التقليدية أي تشخيصات تقريبًا.

تم تمكين HART:

• مراقبة صحة الجهاز
• التشخيص عن بُعد
• إدارة المعايرة
• الصيانة التنبؤية

دون تغيير هياكل التحكم في العمليات التناظرية.

تحسين إدارة الأصول

تم تمكين HART من المراقبة المركزية لـ

• حالة الأداة
• انجراف المستشعر
• حالة المعايرة
• تاريخ الصيانة

وقد أدى ذلك إلى تحسين الموثوقية التشغيلية وتقليل وقت التعطل.

هارت في الصناعة 4.0

تستمر تقنية HART الحديثة في التطور جنبًا إلى جنب مع أنظمة الصناعة 4.0.

اليوم، يمكن للأجهزة التي تدعم HART أن تتكامل مع:

• بوابات إيثرنت
• أنظمة إدارة الأصول
• شبكات WirelessHART اللاسلكية
• منصات المراقبة السحابية
• هياكل إنترنت الأشياء
• أنظمة الصيانة التنبؤية

تدعم أجهزة HART الحديثة الآن:

• التشخيص عن بُعد
• المراقبة في الوقت الحقيقي
• التوائم الرقمية
• التحليلات التنبؤية

مع الحفاظ على التوافق مع التقليدية:

4-20 مللي أمبير

البنية التحتية.

ويظل هذا التوافق مع الإصدارات السابقة أحد أقوى المزايا الصناعية لـ HART.

اتجاهات التطوير المستقبلي لـ HART

من المرجح أن يركز تطوير HART في المستقبل على:

• اتصالات رقمية أسرع
• الاتصال اللاسلكي
• تحسين الأمن السيبراني
• التكامل السحابي
• التشخيص المتقدم
• التكامل مع Ethernet-APL و OPC UA

على الرغم من أن الاتصالات الصناعية القائمة على الإيثرنت آخذة في التوسع بسرعة، إلا أنه من المرجح أن تظل HART مهمة لأن المنشآت الصناعية تواصل تشغيل قواعد هائلة من الأجهزة التناظرية.

وبدلاً من الاختفاء، تعمل HART على نحو متزايد كجسر بين:

• الأجهزة التقليدية
• البنى الصناعية الرقمية الحديثة

الخاتمة

أحدثت تقنية HART تغييراً جذرياً في الأجهزة الصناعية من خلال تمكين:

• اتصال تناظري ورقمي على نفس السلك
• التشخيص الذكي عبر الحلقات التناظرية
• التكوين والمعايرة عن بُعد
• تحسين إدارة الأصول
• تحديث رقمي فعال من حيث التكلفة

سمحت بنية اتصالاتها الهجينة للصناعات بتحديث الأنظمة التناظرية الحالية دون التخلي عن البنية التحتية المثبتة.

حتى في عصر الصناعة 4.0، يستمر نظام HART في لعب دور حاسم في ربط الأجهزة الميدانية التقليدية بأنظمة الأتمتة الرقمية الحديثة.