사물 인터넷 (IoT)이 주류가되기 전에 두 대의 기계 (또는 그 안에있는 구성 요소)를 서로 대화 할 때 얻을 수있는 이점은 산업 자동화 및 제어 전문가 에게 분명했습니다. 모터 구동 릴레이 등을 제어하기 위해 측정 값을 보내는 크랭크 축의 중심에있는 온도 센서의 값은 명확했으며이를 달성하는 데 사용 된 통신 프로토콜 중 하나가 HART 프로토콜이었습니다.
이를 기반으로 한 3 천만 개 이상의 장치가 전 세계에 설치되어있는 HART 프로토콜은 산업 자동화에서 가장 인기있는 프로토콜 로 간주되며 오늘의 기사에서는이 프로토콜을 특별하게 만드는 요소에 대한 개요를 제공합니다. 기능, 애플리케이션 및 WirelessHART 와 같은 업그레이드 된 버전을 검토합니다.
개요
HART (Highway Addressable Remote Transducer) 프로토콜은 스마트 장치와 제어 시스템 간의 아날로그 배선을 통해 디지털 정보를 송수신하기 위해 산업 자동화에서 가장 널리 사용되는 개방형 통신 프로토콜 중 하나입니다. 이 프로토콜은 RS485 및 이벤트와 같은 직렬 통신 프로토콜의 발전으로 업계에서도 널리 사용됩니다.
이것은 하나의 매개 변수 또는 측정 값 만 전송할 수 있는 기존 4-20mA 통신 프로토콜 의 결함을 해결하기 위해 1980 년대 에머슨이 독점 통신 프로토콜로 개발했습니다. HART를 통해 산업 자동화 노력은 4-20mA의 단점을 수정 한 양방향 통신을 달성 할 수있을뿐만 아니라 HART 프로토콜이 왜곡이나 간섭없이 디지털 신호를 아날로그 신호에 중첩하여 전송할 수 있기 때문에 인프라를 유지할 수 있습니다.
위의 효과는 4-20mA 아날로그 신호와 디지털 신호라는 두 개의 동시 통신 채널을 생성하는 것입니다. 이 조합이 프로토콜을 하이브리드 프로토콜이라고하는 이유입니다. 계측 장치와 같은 일반적인 애플리케이션은 4-20mA 신호를 사용하여 1 차 측정 값을 전송하고 중첩 된 디지털 신호를 사용하여 정보를 전송할 수 있습니다.
4-20mA 기반 장치에 대한 지원은 기업이 기존 하드웨어를 계속 사용할 수 있음을 의미했습니다. 이로 인해 프로토콜이 "개방"이됨에 따라 프로토콜의 채택 수준이 높아져 업계에서 사실상의 표준이되었습니다.
HART 통신 프로토콜의 작동
HART 통신은 두 HART 지원 장치, 일반적으로 스마트 필드 장치와 제어 또는 모니터링 시스템간에 발생합니다. 앞서 설명한 것처럼 프로토콜 기반 장치는 기존 4-20mA 접근 방식을 사용하여 아날로그 신호를 전송하고 Bell 202 주파수 편이 키잉 (Bell 202 Frequency Shift Keying)을 사용하여 신호 (교류 신호)를 4-20mA 아날로그 신호에 중첩하여 디지털 신호를 전송합니다. FSK) 표준.
FSK 절차에는 전송되는 데이터의 비트 (각각 1과 0)를 나타내는 두 주파수 (일반적으로 1200Hz 및 2200Hz)의 사인파가 중첩됩니다. FSK를 사용하면 두 주파수의 평균값이 항상 0이되어 아날로그 신호가 디지털 신호의 영향을받지 않습니다.
네트워크 구성 모드
다양한 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해 HART 프로토콜의 장치는 두 가지 주요 모드에서 작동하도록 구성 할 수 있습니다.
- 지점 간 모드
- 멀티 드롭 모드
1. 지점 간 네트워크 모드
포인트-투-포인트 모드에서 디지털 신호는 4-20mA 루프 전류에 오버레이되어 4-20mA 전류와 디지털 신호를 모두 마스터와 슬레이브간에 메시지를 전달하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 모니터링, 유지 보수 및 진단 목적으로 사용할 수있는 2 차 변수 및 데이터와 함께 프로토콜의 일반적인 적용을 나타내며, 제어 신호는 프로토콜의 아날로그 절반을 통해 전송되는 동안 디지털 신호를 통해 교환됩니다. 지점 간 네트워크 구성 의 그림은 아래 이미지에 제공됩니다.
2. 멀티 드롭 네트워크 모드
Multi-Drop 네트워크 구성 모드를 사용하면 i2c와 같은 주소 기반 프로토콜과 유사한 방식으로 여러 장치를 동일한 전선 쌍에 연결할 수 있습니다. 멀티 드롭 모드에서의 통신은 아날로그 루프 전류를 통한 통신이 비활성화되므로 각 장치를 통한 전류가 장치 작동에 충분한 최소값 (일반적으로 4mA)으로 고정되므로 완전히 디지털입니다. 멀티 드롭 네트워크 구성은 일반적으로 탱크 팜 및 파이프 라인과 같이 간격이 넓은 감독 제어 애플리케이션에 사용됩니다. 멀티 드롭 네트워크 구성은 아래 그림에 도시되어있다.
통신 모드
일반적으로 HART 프로토콜에 따른 통신의 경우 네트워크의 한 장치 (일반적으로 분산 제어 시스템 또는 PLC)는 마스터로 지정되어야하며 다른 장치 (일반적으로 센서 또는 액추에이터와 같은 필드 장치)는 슬레이브로 지정되어야합니다.
그러나 슬레이브가 마스터와 통신하는 방식은 네트워크가 구성된 통신 모드에 따라 다릅니다. HART 프로토콜을 준수하는 장치의 네트워크는 두 가지 모드로 통신하도록 설정할 수 있습니다.
- 요청-응답 통신 모드
- 버스트 모드
1. 요청-응답 통신 모드
요청-응답 통신 모드에서 슬레이브 장치는 마스터 장치에서 요청이있을 때만 정보를 전송합니다. 이 모드는 특히 통신 속도가 감소하는 단점이 있지만 (초당 2 ~ 3 개의 데이터 업데이트) 프로토콜을 간단하고 효과적이며 구현하기 쉽게 유지하는 데 도움이됩니다.
2. 버스트 모드
응용 프로그램 요구 사항의 변화를위한 공간을 만들기 위해 프로토콜에는 "Burst"모드라는 또 다른 통신 모드가 있습니다. 이 모드에서 슬레이브 장치는 마스터의 반복적 인 요청없이 단일 정보를 지속적으로 전송할 수 있습니다. 이 모드는 초당 최대 3-4 개의 업데이트로 더 빠른 통신 속도를 제공하며 일반적으로 HART 루프에서 통신을 수신하는 데 둘 이상의 HART 장치가 필요한 시나리오에서 사용됩니다.
대부분의 산업용 애플리케이션에 필요한 외부 모니터링을 허용하기 위해 두 통신 모드 모두 1 차 및 2 차로 정의 된 최대 2 개의 마스터를 지원합니다. 위 이미지에 표시된대로 기본 마스터는 일반적으로 기본 제어 / 모니터링 시스템이며 보조 마스터는 일반적으로 HART 루프에 단시간 동안 만 연결되는 핸드 헬드 터미널 (HART Communicator) 과 같은 장치 입니다.
혜택
동급의 다른 프로토콜에 비해 HART 프로토콜의 장점은 다음과 같습니다.
1. 양방향 통신
예를 들어 4-20mA 아날로그 신호를 사용하면 정보가 한 방향 (송신기를 수신기로)으로 만 흐를 수 있습니다. HART 통신을 사용하면 데이터가 양방향으로 이동할 수 있습니다.
2. 새로운 유형의 정보
4-20mA와 같은 기존의 통신 채널은 검증 할 여지없이 단일 프로세스 변수 만 통신 할 수 있지만 HART를 사용하면 프로세스 변수와 함께 최대 40 개의 추가 정보를 얻을 수 있습니다.
HART 기반 장치에서 수집 할 수있는 추가 정보의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.
- 장치 상태 및 진단 경고
- 공정 변수 및 단위
- 루프 전류 및 % 범위
- 기본 구성 매개 변수
- 제조업체 및 장치 태그
이 추가 정보의 조합을 사용하여 HART 장치는 구성 또는 작업과 관련된 문제를 마스터 / 호스트 장치에 자체보고 할 수 있습니다. 이는 정기 점검의 필요성을 줄이는 데 도움이되며 예측 유지 보수에 매우 유용 할 수 있습니다.
3. 다 변수 장치
디지털 모드에서는 한 쌍의 전선이 여러 변수를 처리 할 수 있습니다. 예를 들어 하나의 송신기가 여러 센서의 입력을 처리 할 수 있습니다.
4. 공급 업체 독립성
HART와 관련된 모든 것은 Emerson에 의해 HART Communications Foundation에 넘겨졌습니다. 이러한 표준은 공개되어 있으며 특정 공급 업체에만 국한되지 않습니다. 즉, 제한된 공급 업체별 또는 지역 "표준"에 갇힐 위험이 없습니다.
5. 공급의 폭
HART는 현재 프로세스 산업에서 가장 널리 지원되는 프로토콜로 간주됩니다. 산업용 장치가 HART와 호환 될 확률이 거의 1 일 정도로 인기가 높습니다.
6. 상호 운용성
HART 호환 장치 및 호스트 시스템은 공급 업체, 모델 및 네트워크를 괴롭히는 기타 호환성 / 상호 운용성 문제에 관계없이 함께 작동 할 수 있습니다. HART 장치의 디지털 정보를 처리하도록 설계되지 않은 호스트 장치도 4-20mA 아날로그 신호를 통한 통신과 어느 정도의 상호 운용성을 갖습니다.
WirelessHART
HART 프로토콜은 기술의 발전과 사용 사례의 정교함을 통해 수년에 걸쳐 발전해 왔습니다. 최근 진화 한 제품 중 하나는 WirelessHART 라는 새로운 기술로, HART 정보의 무선 전송으로 완전히 새로운 가능성을 제공합니다.
공정 자동화 분야에서 최초로 표준화 된 (IEC62591) 무선 통신 프로토콜입니다. 일반 HART 프로토콜과 달리이 단계에서는 연결 케이블을 사용하지 않기 때문에 아날로그 통신이 제공되지 않으므로 디지털 신호를 통한 통신 만 지원합니다.
현재 다음과 같은 두 가지 WirelessHART 솔루션이 있습니다.
- 기존 HART 장치를 향상시키기위한 WirelessHART 어댑터
- 자체 전원 공급 WirelessHART 송신기.
WirelessHART는 기존 유선 계측기에서 이전에 계측기에서 좌초되었던 방대한 양의 정보를 수집하는 데 사용할 수 있으며, 또한 배선 비용없이 새로운 측정 지점 및 제어를 배포 할 수있는 비용 효율적이고 간단하며 신뢰할 수있는 방법을 제공합니다.