آشنایی با پروتکل هارت HART PROTOCOL INTRODUCTION
2 مهر 1403 0
آشنایی با پروتکل هارت
HART PROTOCOL INTRODUCTION
تحریریه سایت تیزبین
نویسنده: مهندس سلمان پاکی
معنای پروتکل بطور کلی مجموعه قوانین و مقرراتی که در یک پروسه باید رعایت گردد تا عملی انجام گیرد را پروتکل گویند. این موضوع در مورد ارتباطات دیجیتالی نیز صادق می باشد که به Communication Protocol معروف می باشد. در مورد پروتکل های ارتباطی مجموعه قواعدی که باعث می شود یک پیام مشخص با معنا و مفهومی معین ارسال و همچنین دریافت گردد پروتکل ارتباطی گفته می شود. به نمونه ای از این پروتوکل می توان به دستگاه مورس اشاره نمود. از طریق این دستگاه پیام ها به گونه ای خاص کدبندی شده و به مقصد ارسال می گردد در نهایت کسی که پیام ها را دریافت می نماید بعد از دی کد کردن آنها را به پیام هایی تبدیل کی کند که قابل فهم می باشد. این عمل کدگذاری از روش و قاعده خاصی پیروی می کند که به نوعی یک پروتکل می باشد. در مورد دنیای ارتباطات دیجیتالی نیز دقیقاً وضع به همین صورت است که در اینجا هم اطلاعات، پیامها و داده ها در قالب و فرمت خاصی ارسال و دریافت می گردند. به عنوان مثال می توان به دنیای ارتباطات در اینترنت اشاره نمود. در اینترنت نیز داده ها برای دانلود شدن و آپلود شدن یعنی برا نقل و انتقال بین هر نقطه از اینترنت نیاز به یک فرمت و قالب مشخصی دارد که این عمل از طریق سه پروتکل مشخص و معین که مجموعه آنها TCP/IP را شامل می شود استفاده می نماید. این پروتکل دارای سه جزء کلی می باشد: - TCP (Transmission Control Protocol)
- IP(Internet Protocol)
- HTTP/FTP
هر کدام از این مجموعه قوانین که همه آنها مربوط به دادوستد یک داده در سرتاسر اینترنت می باشد، دارای فرمت ها و قالب های بخصوصی می باشند مثلاً یکی از آنها داده ها را در بسته های 16بیتی که هر کدام از این بیت ها به منظور خاصی استفاده می شود را ارسال می کند.
در شکل 1 نمونه ای از یک فرمت IP که براساس آن داده های دیجیتالی ارسال و دریافت می گردد. شکل (1) نمونه ای از یک IP format
در مورد پروتکل هارت نیز وضع به همین صورت است، در این پروتکل نیز اطلاعات از طریق یک فرمت دیجیتالی بین ترانسمیتر و دستگاه هارت یا همان Field Communicator نقل و انتقال می یابد. از طرفی تعریف صفرویک در این پروتکل نیز از قاعده ای خاص تبعیت می کند که در آن هم فرکانس و هم دامنه دخیل می باشد. اما نحوه بدست آمدن این داده های دیجیتالی که از صفر و یک تشکیل شده اند براساس تعاریفی مشخص و معین می باشد که در این پروتوکل تعریف شده است. حال که با معنا و مفهوم پروتکل آشنا شدیم لازم است تا در مورد چند مسئله توضیحاتی ارائه گردد. یکی از این مسائل سیستم های کنترلی می باشد که این مسئله به ما می گوید که پروتکل هارت در کجا کاربرد دارد. سیستم های کنترلی بطور کلی چون یک واحد صنعتی یا یک پالایشگاه و یا پتروشیمی از مجموعه ای از قطعات و تجهیزات تشکیل شده اند که در نهایت همه آنها در طول یکدیگر قرار گرفته و یک فرآیند را تولید می کنند لذا بسیاری از تجهیزات نیاز به ارتباط با یکدیگر و کنترل دارند که این مسئله بحث سیستم های کنترلی را در صنایع نفت و گاز مطرح می کند. این موضوع، موضوعی جدید نیست و به زمانی برمی گردد که اولین واحد صنعتی ایجاد گردید. از آن موقع به بعد بطور خاص در زمینه صنایع نفت و انرژی پیشرفت هایی در زمینه کنترل فرآیند صورت گرفت که می توان به ارتقای سیستم های کنترلی و پیشرفت آنها اشاره نمود. تا به امروز سه نوع سیستم کنترلی تعریف شده است و مورد استفاده قرار گرفته شده است که دو مورد آن هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد.
بطور کلی سیستم های کنترلی، به سیستم هایی گفته می شود که جهت کنترل متغیرهای یک فرآیند اعم از کنترل پارامترهای موثری نظیر دما، فلو، سطح و فشار مورد استفاده قرار می گیرد. در زیر این سه سیتم کنترلی ذکر شده است:
DDC: این سیستم که مخفف Direct Digital Control است در حال حاضر منسوخ شده است و کاربردی ندارد. در این نوع سیستم یک قطعه بطور مجزا و مستقیم از طریق ارتباط دیجیتالی به کامپیوتر مرکزی متصل و کنترل می شود. در شکل (2) این سیستم نشان داده شده است. 
شکل (2): نمونه ای از یک سیستم کنترلی از نوع DDC
DCS: این سیستم که هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد بسیار پرقدرت بوده و در مواردی نظیر نویزپذیری و تداخل نسبت به نمونه های پیشرفته تر خود کارآیی بالاتری دارد، این سیستم که مخفف کلمه Distributed Control System می باشد، بیانگر اینست که ورودی و خروجی های قطعات به کارت های I/O توسیع یافته اند. در شکل (3) نمونه ای از این نوع سیستم نشان داده شده است.
شکل(3): نمونه ای از یک سیستم کنترلی از نوع DCS
FCS: مخفف Fieldbus Control System می باشد. این سیستم کنترل که پیشرفته ترین نوع سیستم خود در حال حاضر می باشد، از طریق استفاده از یک باس مرکزی و اتصال و ارتباط تمام قطعات و ادوات به این باس مرکزی اقدام به کنترل تجهیزات می کند. در شکل (4) نمونه ای از این نوع سیستم ذکر شده است. شکل(4): نمونه ای از یک سیستم کنترلی مبتنی بر فیلدباس
در اینجا ما قصد نداشتیم که به توضیح پیرامون سیستم های کنترلی بپردازیم. تنها دلیلی که باعث شد تا به این موضوع بپردازیم اینست که از پروتکل هارت تنها در سیستم های DCS استفاده می شود. یعنی برای کالیبره کردن و برقراری ارتباط با ترانسمیترهای هوشمندی که در سیستم های کنترلی DCS استفاده می شود از این نوع پروتکل استفاده می گردد. بحث بعدی که مورد نیاز است، تفاوت قطعات هوشمند و غیر هوشمند است که در قسمت بعدی و در ادامه مطلب به آن اشاره می شود. Smart and Non-smart device
بطور عمده در یک سایت قطعات ابزاردقیق به دو صورت یافت می شوند یا Smart هستند که بهتر است بگوئیم هوشمند و یا غیر هوشمند یا همان Non-smart می باشند. قطعات هوشمند که قطعاتی هستند که دارای پردازنده مرکزی می باشند یعنی قطعاتی که برپایه میکروکنترلر یا میکروپروسسور کار می کنند، به عبارت دیگر به این دستگاه ها و قطعات، Processor based گفته می شود. این قطعات نظیر انواع و اقسام ترانسمیترهای هوشمند دارای این توانایی هستند که می توان آنها را configure کرد یعنی براحتی می توان به پارامترهای کنترلی آن نظیر LRV و یا URV و یا دیگر پارامترهای کنترلی دسترسی داشت و آنها را متناسب با نیاز خودمان تغییر دهیم. اصولاً ترانسمیترهایی که هوشمند می باشند از قابلیت های زیادی برخوردار هستن و این ویژگی ها باعث بالا رفتن قیمت این ادوات نسبت به قطعات غیرهوشمند می باشد. قابلیت configurable بودن این قطعات این امکان را فراهم می سازد تا بتوان از آنها در جاهای مختلفی البته برای همان نوع پارامتر استفاده نمود به عنوان مثال اگر یک ترانسمیتر دما از نوع غیرهوشمند را برای RTD بکارببریم دیگر نمی توانیم از آن برای ترموکوپل استفاده نمود اما در مورد ترانسمیترهای هوشمند این قابلیت وجود دارد که می توان برای علاوه بر استفاده برای سنسورهای RTD جهت استفاده از سنسورهای ترموکوپل نیز استفاده نمود، تنها مسئله ای که باید رعایت شود اینست که آنها را باید نسبت به نیاز خودمان پیکره بندی نمائیم. حال باید ببینیم این پیکره بندی از چه طریق امکانپذیر می باشد.
نحوه پیکره بندی ادوات و قطعات هوشمند (ترانسمیترهای هوشمند یا smart)
برای توضیح این مطلب باید به این نکته توجه کنیم که ترانسمیتر هوشمند در چه نوع سیستم کنترلی مورد استفاده قرار گرفته است، اگر ترانسمیتر هوشمند در سیستم کنترلی DCS مورد استفاده قرار گرفته شده باشد تنها راهی که می توان آنرا کالیبره و یا configure کرد وسیله ایست بنام Field communicator که به اشتباه به آن هارت گفته می شود. نمونه هایی از این وسیله در شکل (6) نشان داده شده است. 
شکل(6) نمونه هایی از Field communicator
اما اگر ترانسمیتر در سیستم Fieldbus مانند Foundation Fieldbus مورد استفاده قرار گرفته شده باشد آنگاه علاوه بر دستگاه Field communicator می توان از طریق اتاق کنترل نیز پارامترهای کنترلی آنرا نیز تغییر داد این موضوع یکی از برتریهای سیستم های کنترلی مبتنی بر Fieldbus نسبت به DCS و باعث کاهش هزینه های مربوط تعمیر و نگهداری می شود. همه ما می دانیم که در یک سیستم کنترلی از نوع DCS سیگنال کنترلی سیگنال استاندارد 4-20mA می باشد. همه ما به این موضوع واقف هستیم که دلیل استفاده از سیگنال جریان اینست که سیگنال جریان مانند سیگنال ولتاژ افت ندارد لذا اگر جریان داخل سیمی به طول مثلاً 100 متر جریان داشته باشد از ابتدا تا انتهای مسیر مقدارش یکسان خواهد بود اما اگر از ولتاژ استفاده نمائیم این امکان وجود دارد که بدلیل اینکه کابل ها و یا سیم ها چون دارای مقاومت می باشند لذا ولتاژ ابتدای خط با انتهای خط بدلیل افت ولتاژ بر روی این مقاومت یکسان نخواهد بود، لذا به همین دلیل از سیگنال جریان استفاده می شود البته این بدان معنا نیست که به هیچ وجه از سیگنال ولتاژ استفاده نمی شود بلکه در مسیرهای کوتاه که افت ولتاژ قابل صرفنظر کردن می باشد قابل استفاده می باشد، نظیر کارتهای PLC که بعضی از سیگنال های خود را بصورت ولتاژ دریافت و یا ارسال می کنند. بنابراین سیگنالی که در یک سیستم کنترلی از نوع DCS به عنوان سیگنال کنترلی مورد استفاده قرار می گیرد سیگنال استاندارد 4-20mA می باشد دلیل اینکه چرا از 4mA شروع می شود اینست که سیستم کنترلی مقدار 0 را بتواند از قطعی سیم تشخیص دهد و باعث بروز خطا در انجام محاسبات نشود. اما سیگنال هایی که در سیستم کنترلی Fieldbus مورد استفاده قرار می گیرند فرکانسی بوده و براساس قوانین خاصی نظیر پروتکل هارت داده در طی باس نقل و انتقال پیدا می کنند به همین خاطر نیز Fieldbus دارای چندین نوع پروتکل می باشد نظیر Foundation، profibus-PA و یا Can و...
خوب اگر اجازه دهید تا اینجا یک نتیجه گیری کنیم و آن اینست که فهمیدیم که DCS براساس سیگنال کنترلی 4-20mA کار می کند و تا اینجای کار سیستم DCS هیچ ارتباطی با HART ندارد. بطور کلی ما باید بین این دو تفاوت قائل شویم. چراکه وقتی صحبت از HART می کنیم منظور ما تنها اینست که می خواهیم یک ترانسمیتر هوشمند یا smart را configure کنیم که برای اینکار ما از دستگاهی استفاده می کنیم که نام این دستگاه Field communicator نام دارد و دیگر هیچ ربطی به DCS و عملکرد آن ندارد تنها نقطه اشتراک DCS و HART اینست که HART برای نقل و انتقال داده های خود از سیگنال 4-20mA که در DCS کاربرد دارد تنها به عنوان یک Carrier یا یک حامل استفاده می کند و دیگر هیچ ارتباطی با DCS ندارد و باید توجه داشته که تنها راه configure کردن یک ترانسمیتر هوشمند در سیستم کنترلی DCS استفاده از همین HART است. اما چگونه HART از این سیگنال استفاده می کند. این مسئله ایست که در ادامه به آن خواهم پرداخت.
سیگنال آنالوگ جهت ایجاد سطوح صفر و یک منطقی
پروتکل هارت یک سیستم ارتباطی دیجیتالی دوطرفه بین ترانسمیتر هوشمند و Field communicator است. اما سوال اینجاست که این ارتباط چگونه برقرارمی شود؟ آیا وقتی ما communicator را به ترانسمیتر وصل می کنیم سیگنال ها را بصورت صفر و یک ارسال می کند یا خیر؟ در جواب باید بگوئیم خیر. تا الان ما هیچ نظر و تصوری از نحوه فرمت و قالب داده های دیجیتالی پروتکل جهت نقل و انتقال داده نداریم. بذارید این موضوع را کمی روشنتر کنم. از آنجائیکه تمامی ترانسمیترهای هوشمند برپایه میکروکنترلر یا میکروپروسسور کار می کنند لذا تمامی داده های ورودی به این قطعه باید کاملاً دیجیتالی باشد یعنی وقتی می خواهیم LRV یک ترانسمیتر را تغییر دهیم حتماً مقدار LRV و دستورات مربوط به تغییر آن بصورت دیجیتالی یعنی صفر و یک درآمده تا برای میکروکنترلر قابل پردازش باشد. لذذا داده ها همه از نوع دیجیتالی خواهند بود. اما فعلاً به این موضوع کاری نداریم. برگردیم به بحث خودمون، خوب HART برای اینکه داده های خود را بتواند ارسال کند باید از سیگنال 40-20mA استفاده نماید. خوب به شکل (7) دقت کنید. 
شکل(7) نمایی ساده از ارتباط ترانسمیتر هوشمند با یک Filed communicator
در شکل فوق نمایی ساده نشان داده شده است که communicator به یک ترانسمیتر هوشمند متصل شده است. همانطور که ملاحظه می شود تنها سیگنل ارتباطی بین communicator و ترانسمیتر هوشمند سیگنال 4-20mA می باشد. communicator که داده های خود را براساس فرمت خاصی تهیه می کند تا آنها را به ترانسمیتر ارسال کند ناچار است تا از این سیگنال استفاده کند. تنها استفاده ای که communicator از این سیگنال می کند این است که داده های دیجیتالی (که مبتنی بر پروتکل هارت می باشند) خود را به گونه ای به کمک این سیگنال ارسال کند. برای اینکار قانونی ریاضی وجود دارد که به bell 202 معروف می باشد. استفاده از این روش جهت مدوله کردن سیگنال های دیجیتالی به سیگنال های آنالوگ را FSK (Frequency Shift Keying) می گویند. براساس این روش مودم های بخصوصی تولید شده اند که از این روش برای تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ استفاده می کنند. در واقع بهتر بگوئیم این روش نیز یکی از روش های مورد استفاده برای تبدیل سیگنال های دیجیتالی به سیگنال های آنالگو می باشد. اما این روش به ما چه می گوید.
فرض کنید یک سیگنال سینوسی به شکل زیر داشته باشیم: 
دامنه سیگنال پیک تا پیک 1mA می باشد، برای راحتی نیز فرض می کنیم فاز اولیه 
صفر باشد، دارای دو فرکانس متغیر 1200Hz و 2200Hz می باشد که یک سیکل کامل از این سیگنال با فرکانس 1200Hz به عنوان 1 منطقی و یک سیکل کامل از سیگنال با فرکانس 2200Hz به عنوان 0 منطقی تلقی می شود. این موضوع خیلی واضح در شکل(8) نشان داده شده است. شکل(8) : سیگنال مدوله شده HART از طریق روش ریاضی FSK
در ادامه بحث از این به بعد هرجا صحبت از سیگنال آنالوگ شد منظور همان سیگنال معروف مدوله شده هارت است که در بالا بدان اشاره گردید. بنابراین communicator داده های دیجیتالی خود را ابتدا به یک سیگنال با این ویژگی تبدیل می کند سپس از طریق سوار شدن این سیگنال بر روی سیگنال آنالوگ 4-20mA آنرا به ترانسمیتر ارسال می کند. لذا تنها نقطه اشتراک DCS و HART اینست که برای ارسال داده های دیجیتالی به ترانسمیتر نیاز به تبدیل سیگنال به آنالوگ و سوار کردن آن بر روی سیگنال 4-20mA وجود دارد. این مسئله در شکل (9) نشان داده شده است. شکل(9) ارسال سیگنال های دیجیتالی تبدیل یافته به آنالوگ و سوار شدن آنها بر روی سیگنال آنالوگ 4-20mA
در شکل فوق سیگنالی نشان داده شده است که یک سیگنال سینوسی با دامنه بسیار کم بر روی سیگنال 4-20mA سوار شده است. این سیگنال مدوله شده داده های دیجیتالی پروتکل هارت می باشد. اما نکته ای که باید در نظر داشت اینست که این سیگنال ها چگونه به مقادیر دیجیتالی تبدیل می شوند. در ادامه بحث، با معرفی یک IC یا بهتر بگوئیم یک modem به تشریح این موضوع می پردازیم. HART modem وقتی که می خواهیم از طریق یک کامپیوتر شخصی به اینترنت متصل شویم یکی از نیازهای این مسئله داشتن مودم است، مودم وظیفه ای که برعهده دارد اینست که داده های دیجیتالی را به سیگنال آنالوگ تبدیل می کند. به همین منظور نیز در مورد ارسال داده های دیجیتالی پروتکل هارت نیز نیاز به قطعه ای داریم که توانایی تبدیل داده های دیجیتالی را به آنالوگ داشته باشد اما این قطعه باید کاملاً منطبق با روشی باشد که بتواند سیگنال های مورد نظر ما را فراهم کند. در ادامه یک IC از سه شرکت مختلف ذکر می گردد که هر کدام از آنها یک عمل را انجام می دهد سپس به توضیح کامل یکی از آنها می پردازیم.
 |
HART Modem
A5191HRT |
 |
HART Modem
HT2015 |
 |
HART Modem
DS8500 |
| شکل(9) آی سی های قابل استفاده به عنوان HART modem |
نمونه فیزیکی آی سی HT2015 در شکل (10) نشان داده شده است.
بنابراین در اینجا با معرفی این آی سی تازه بحث پروتکل هارت آغاز می شود. تنها وظیفه ای که این آی سی دارد اینست که به عنوان یک مبدل عمل می کند یعنی عمل تبدیل داده های دیجیتالی صفر و یک را به آنالوگ و بالعکس انجام می دهد. بنابراین وجود چنین آی سی در ترانسمیترهای هوشمندی که منطبق با پروتکل هارت کار می کنند وجود دارد. از طرفی نیز دستگاه communicator که به ترانسمیتر متصل می شود نیز در آخرین طبقه خروجی مدارات الکترونیکی خود دارد چراکه در نهایت communicator باید داده های خود را از حالت دیجیتالی صفر و یک به آنالوگ تبدیل کند و به ترانسمیتر ارسال نماید. از طرفی ترانسمیتر های هوشمند نیز در ورودی خود این آی سی را دارند چراکه ابتدا سیگنال آنالوگ باید تبدیل به سیگنال دیجیتالی صفرویک شود تا برای میکروپروسسور ترانسمیتر قابل تحلیل باشد. خوب اگر اجازه دهید به بررسی آی سی مدل HT2051 بپردازیم. در اینجا می خواهیم به بررسی نحوه تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال، دیجیتال به آنالوگ و همچنین نحوه تشخیص سیگنال معتبر بپردازیم و لازم نمی دانم که به تشریح کامل پایه های این آی سی پرداخته شود. این آی سی این توانایی را باید داشته باشد تا بتواند سیگنال های آنالوگ را از communicator دریافت کند و به دیجیتال تبدیل کرده و به میکروکنترلر ارسال کند از طرفی باید سیگنال دیجیتالی را از میکروکنترلر دریافت کند و آنرا را تبدیل به سیگنال آنالوگ نماید تا به communicator ارسال نماید. در شکل (11) این موضوع به روشنی نشان داده شده است. 
شکل (11) شکلی بسیار ساده که ارتباط بین آی سی هارت و میکروکنترلر و communicator را نشان می دهد.
در شکل بالا نمونه ای از دیاگرام بلوکی بسیار ساده و ارتباط بین آی سی هارت و میکروکنترلر و communicator نشان داده شده است. در اینجا آی سی هارت با communicator از طریق سیگنال آنالوگ است که بر روی 4-20mA سوار می باشد از طرفی نیز ارتباط بین میکروکنترلر با آی سی هارت نیز بصورت دیجیتالی می باشد. لذا وقتی که ترانسمیتر می خواهیم سیگنالی را دریافت کند communicator سیگنال آنالوگ را می فرستد و آی سی هارت این سیگنال را دریافت می کند سپس پس از تبدیل آن به دیجیتال صفر و یک به میکروکنترلر ارسال می کند، عین همین عمل از سمت میکرو صورت می گیرد یعنی میکروکنترلر داده های دیجیتالی را به آی سی هارت می فرستد سپس آی سی هارت پس از تبدیل این داده ها به سیگنال آنالوگ آنرا به communicator ارسال می کند. نکته ای که در اینجا باید در نظر داشت اینست که communicator نیز در ورودی خود باید یک آی سی هارت نیز داشته باشد تا دقیقاً عملی مانند ترانسمیتر اتفاق بیفتد. آی سی هارت ترانسمیتر زمانی فعال می شود که communicator به ترانسمیتر وصل شود و اولین سیگنال خود را ارسال نماید. در غیراینصورت بدلیل اینکه آی سی هارت هیچگونه سیگنالی (سیگنال آنالوگ مذکور) را دریافت نمی کند لذا هیچگونه اثری در روند عملکرد ترانسمیتر نخواهد داشت. حال ببینیم نحوه عملکرد این آی سی چگونه می باشد.
نظرات