Giao thức Hart | Tính năng – Ứng dụng – Các bản nâng cấp

Là một kỹ sư tự động hoá, chắc hẳn bạn đã biết khá nhiều các giao thức truyền thông trong công nghiệp. Ví dụ như: Profibus, Modbus, CAN,…Và Hart cũng là một giao thức mà chúng ta cần phải biết. Vì cho đến hiện tại, giao thức HART được coi là giao thức phổ biến nhất trong tự động hóa công nghiệp trước khi IoT đổ bộ. Và bài viết hôm nay sẽ cung cấp tổng quan về điều khiến nó trở nên đặc biệt. Cũng như giới thiệu các tính năng, ứng dụng và các phiên bản nâng cấp của Hart trong công nghiệp.

Tổng quan về giao thức Hart

Giao thức HART là một trong những giao thức truyền thông mở phổ biến nhất. Được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp, để gửi và nhận thông tin kỹ thuật số thông qua hệ thống dây tương tự, giữa các thiết bị thông minh và hệ thống điều khiển. Giao thức này là một tiến bộ của giao thức truyền thông nối tiếp như RS485 được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp.

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.

Tác dụng của việc trên là tạo ra hai kênh liên lạc đồng thời: tín hiệu tương tự 4-20mA và tín hiệu số. Sự kết hợp này là lý do tại sao giao thức được gọi là Giao thức kết hợp. Các ứng dụng điển hình như thiết bị đo đạc có thể sử dụng tín hiệu 4-20mA để gửi giá trị đo chính và sử dụng tín hiệu kỹ thuật số xếp chồng để gửi thông tin.

Giao thức HART hoạt động như thế nào?

Giao tiếp HART hoạt động giữa hai thiết bị hỗ trợ HART, thường là thiết bị trường thông minh và hệ thống điều khiển hoặc giám sát. Như đã mô tả trước đó, các thiết bị dựa trên giao thức truyền tín hiệu tương tự 4-20mA hiện có và tín hiệu kỹ thuật số (dưới dạng tín hiệu dòng điện xoay chiều) trên cùng đường dây, sử dụng phương pháp dịch chuyển tần số Bell 202 ( FSK) tiêu chuẩn.

Phương pháp FSK bao gồm việc chồng các sóng sin của hai tần số, thường là 1200Hz và 2200Hz, đại diện cho các bit (1 và 0 tương ứng) của dữ liệu được gửi. Việc sử dụng FSK đảm bảo rằng giá trị trung bình của hai tần số luôn bằng 0, đảm bảo tín hiệu tương tự không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu số.

Chế độ cấu hình mạng

Để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng khác nhau, các thiết bị theo giao thức HART có thể được cấu hình để hoạt động ở hai chế độ chính;

• Chế độ điểm-điểm
• Chế độ đa điểm

Chế độ mạng điểm-điểm

Trong chế độ điểm-điểm, các tín hiệu kỹ thuật số được ghép lên đường dây tín hiệu 4–20 mA theo cách mà cả dòng điện 4–20 mA và tín hiệu kỹ thuật số đều có thể được sử dụng để truyền tải thông điệp giữa chủ và tớ.

Đây có thể coi là ứng dụng điển hình của giao thức, với các biến và dữ liệu thứ cấp, có thể được sử dụng cho mục đích giám sát, bảo trì và chẩn đoán, được trao đổi qua các tín hiệu số. Trong khi tín hiệu điều khiển được gửi qua tín hiệu tương tự của giao thức.

Chế độ mạng đa điểm

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).

Cấu hình mạng đa điểm thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển giám sát có khoảng cách rộng rãi như trong các hệ thống bể chứa và đường ống.

Chế độ giao tiếp

Nói chung, đối với truyền thông theo giao thức HART, một thiết bị trong mạng, thường là hệ thống điều khiển phân tán hoặc PLC. Được yêu cầu được chỉ định là thiết bị chính, trong khi các thiết bị trường như cảm biến hoặc thiết bị truyền động, được chỉ định làm tớ.

Tuy nhiên, cách thức mà các tớ slave giao tiếp với chủ phụ thuộc vào chế độ giao tiếp mà mạng được cấu hình. Một mạng các thiết bị tuân thủ giao thức HART có thể được thiết lập để giao tiếp ở hai chế độ, cụ thể là:

• Chế độ giao tiếp Yêu cầu-Phản hồi
• Chế độ burst

Chế độ giao tiếp yêu cầu- phản hồi

Trong chế độ giao tiếp yêu cầu- phản hồi, thiết bị phụ chỉ truyền thông tin khi thiết bị chính đưa ra yêu cầu. Mặc dù chế độ này có những nhược điểm đặc biệt là giảm tốc độ truyền thông (cập nhật dữ liệu 2-3 mỗi giây), nhưng nó giúp giữ cho giao thức đơn giản và hiệu quả, dễ thực hiện.

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.

Để cho phép giám sát bên ngoài, mong muốn cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp, cả hai chế độ giao tiếp đều hỗ trợ tối đa hai chế độ chính được xác định là chính và phụ. Thiết bị chính, thường là hệ thống điều khiển/ giám sát chính trong khi thiết bị phụ thường là một thiết bị giống như thiết bị đầu cuối cầm tay HART Communicator, chỉ được kết nối với vòng lặp HART trong một khoảng thời gian ngắn.

Những lợi ích từ giao thức Hart

Một số ưu điểm của giao thức HART so với các giao thức khác có thể kể đến như sau:

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.

Các loại thông tin mới

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, nhưng Với HART, bạn có thể nhận được tới 40 thông tin bổ sung cùng với biến quy trình.

Một số ví dụ về thông tin bổ sung có thể được thu thập từ các thiết bị dựa trên HART bao gồm:

• 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

Sử dụng kết hợp thông tin bổ sung này, các thiết bị HART có thể tự báo cáo các vấn đề với cấu hình hoặc hoạt động của chúng cho thiết bị chủ / chủ. Điều này giúp giảm nhu cầu kiểm tra định kỳ và có thể rất hữu ích cho việc dự báo bảo trì.

Thiết bị đa biến

Trong chế độ kỹ thuật số, có thể xử lý nhiều biến trên một đường dây. Ví dụ: một máy phát có thể xử lý đầu vào từ nhiều cảm biến

Chiều rộng cung cấp

HART hiện được coi là giao thức được hỗ trợ rộng rãi nhất cho ngành công nghiệp xử lý. Nó phổ biến đến mức xác suất một thiết bị công nghiệp tương thích HART là gần như 1.

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.

Giao thức WirelessHART – Giao thức Hart không dây

Giao thức HART đã phát triển qua nhiều năm với những tiến bộ trong công nghệ và sự gia tăng độ phức tạp của các trường hợp sử dụng. Một trong những sản phẩm gần đây của sự phát triển của nó là một công nghệ mới được gọi là WirelessHART, mang đến những khả năng hoàn toàn mới với việc truyền thông tin HART không dây.

Đây là giao thức truyền thông không dây được tiêu chuẩn hóa (IEC62591) đầu tiên trong lĩnh vực tự động hóa quy trình. Không giống như giao thức HART thông thường, ở giai đoạn này, nó chỉ hỗ trợ giao tiếp qua tín hiệu kỹ thuật số vì giao tiếp tương tự không được cung cấp vì không có cáp kết nối nào được sử dụng.

Hiện tại, có hai giải pháp WirelessHART khác nhau bao gồm;

• Bộ điều hợp HART không dây để nâng cao các Thiết bị HART hiện có
• Bộ phát WirelessHART tự cấp nguồn.

WirelessHART có thể được sử dụng trên các thiết bị có dây hiện có để thu thập lượng lớn thông tin đã bị lưu trữ trước đó trong thiết bị, đồng thời cung cấp một cách hiệu quả về chi phí, đơn giản và đáng tin cậy để triển khai các điểm đo lường và điều khiển mới mà không cần chi phí đi dây.

Hart hầu như đã được tích hợp sẵn trong các thiết bị công nghiệp ngày nay. Ví dụ như các bộ chuyển đổi tín hiệu hay cảm biến siêu âm đều có tích hợp Hart.

Các bạn có nhu cầu tư vấn về thiết bị có hỗ trợ giao tiếp Hart, thì hãy liên hệ với mình nhé! Cảm ơn!