Giao thức HART: truyền thông 4–20 mA, đấu dây và chẩn đoán

Giao thức HART là gì?

– HART viết tắt củaHighway Addressable Remote Transducer (Highway Addressable Remote Transducer). Đây là một giao thức truyền thông kỹ thuật số hai chiều được thiết kế dành cho thiết bị đo lường trong công nghiệp.

Đặc tính quan trọng nhất của giao thức này là:

Truyền thông kỹ thuật số được chồng lên vòng dòng điện tương tự truyền thống 4–20 mA.

Do đó, một bộ phát thông minh hỗ trợ giao thức HART có thể truyền đồng thời hai loại thông tin.

4–20 mA – Tín hiệu tương tự

– Tín hiệu tương tự được sử dụng để truyền liên tục các đại lượng biến số chính của quá trình, ví dụ:

• Áp suất;

• Mức chất lỏng;

• Nhiệt độ;

• Lưu lượng;

• Áp suất chênh lệch.

Giao tiếp số HART

Đồng thời, giao tiếp số HART có thể được sử dụng để đọc thông tin bổ sung như:

• Biến số chính (PV);

• Biến số thứ hai, thứ ba và thứ tư;

• Phạm vi thiết bị;

• Đơn vị kỹ thuật;

• Mã định danh thiết bị;

• Trạng thái thiết bị;

• Thông tin chẩn đoán;

• Tham số hiệu chuẩn;

• Trạng thái cảm biến;

• Thông tin lỗi.

Điều này khiến chuẩn HART đặc biệt phù hợp cho các nhà máy công nghiệp đang sử dụng số lượng lớn thiết bị đo lường tại chỗ loại 4–20 mA.

Chuẩn HART không yêu cầu phải thay thế hoàn toàn hệ thống tương tự hiện có để tích hợp truyền thông kỹ thuật số; thay vào đó, nó bổ sung thông tin kỹ thuật số vào mạch dòng điện hiện có.

Do đó, khái niệm cốt lõi của chuẩn HART là cho phép tín hiệu quy trình truyền thống của 4–20 mA và thông tin thiết bị kỹ thuật số cùng tồn tại trên cùng một dây dẫn tại chỗ.

Giao thức HART hoạt động như thế nào?

Phương pháp truyền thông HART truyền thống sử dụng các FSK, Frequency Shift Keyingvà

; phương pháp này dựa trên công nghệ FSK Bell 202 và kết hợp hai tần số AC lên trên tín hiệu dòng điện DC 4–20 mA.

Các thông số chính là:

– Tín hiệu số HART FSK là tín hiệu xoay chiều có giá trị trung bình xấp xỉ bằng 0.Trong các điều kiện thiết kế vòng lặp thông thường, tín hiệu quy trình DC 4–20 mA không bị thay đổi. Do đó,

HART có thể được hiểu là hai kênh truyền thông hoạt động trên cùng một vòng lặp dòng điện 4–20 mA: - Kênh tương tự

: 4–20 mA → Truyền biến số quy trình chính

; - Kênh kỹ thuật số HART FSK → Truyền thông tin cấu hình, trạng thái, kiểm tra và các thông tin quy trình bổ sung

Tại sao giao tiếp HART không ảnh hưởng đến tín hiệu 4–20 mA?

Đây là một trong những khái niệm then chốt để hiểu về HART.

Ví dụ, giả sử một bộ truyền áp suất hiện đang xuất tín hiệu:

12 mA

; bộ PLC đọc tín hiệu 12 mA thông qua mô-đun đầu vào tương tự và chuyển đổi nó thành giá trị áp suất.

Đồng thời, bộ truyền HART sẽ chồng thêm một tín hiệu truyền thông AC FSK nhỏ lên dòng điện một chiều 12 mA.

Do giá trị trung bình của tín hiệu FSK số xấp xỉ bằng 0, PLC vẫn nhận được dòng điện một chiều trung bình khoảng:

12 mA

Do đó:

PLC tiếp tục đọc biến số quá trình 4–20 mA (

) trong khi:

Một thiết bị liên lạc cầm tay HART, modem HART hoặc mô-đun I/O hỗ trợ chuẩn HART có thể đọc thông tin số trong cùng lúc.

Đây là một trong những lý do chính khiến HART có thể hoạt động song song với các hệ thống 4–20 mA truyền thống.

HART sử dụng các tầng truyền thông nào?

Giao thức HART có thể được liên kết với nhiều tầng trong mô hình OSI.

Tầng Vật lý

Tầng vật lý xác định:

• Tín hiệu điện;

• Tần số FSK;

• Biên độ tín hiệu;

• Cấu trúc dây dẫn truyền dẫn;

• Hiệu điện trở vòng;

• Yêu cầu kết nối.

– Thiết bị HART có dây phiên bản Classic sử dụng công nghệ Bell 202 FSK.

Lớp liên kết dữ liệu

– Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm:

• – Cấu trúc khung;

• – Định địa chỉ thiết bị;

• – Truy cập máy chủ;

• Kiểm tra lỗi;

• Thời gian yêu cầu và phản hồi.

Giao thức HART sử dụng phương thức truyền thôngkhông đồng bộ. Trong mạng FSK 1200 Baud truyền thống, mỗi ký tự bao gồm:

1 bit bắt đầu + 8 bit dữ liệu + 1 bit cân bằng lẻ + 1 bit kết thúc;

Như vậy, tổng cộng có:

11 bit cho mỗi ký tự;

Lớp Ứng dụng

Lớp ứng dụng xác định thông tin nào thực sự được trao đổi giữa máy chủ và thiết bị tại hiện trường.

Các chức năng điển hình bao gồm:

• Đọc biến chính;

• Đọc thông tin thiết bị;

• Đọc phạm vi đã cấu hình;

• Thay đổi tham số;

• Đọc trạng thái chẩn đoán;

• Thực hiện các thao tác trên thiết bị;

HART định nghĩa cấu trúc lệnh tiêu chuẩn hóa nhằm đảm bảo các hệ thống chủ và thiết bị tại hiện trường có thể giao tiếp theo cách thức nhất quán.

Có những loại lệnh HART nào?

Từ góc độ kỹ thuật, các lệnh HART có thể được chia thành ba nhóm chính.

Lệnh phổ quát

Tất cả thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn HART áp dụng phải hỗ trợ các lệnh phổ quát theo yêu cầu.

Các lệnh này có thể được sử dụng để đọc thông tin như:

• Mã định danh thiết bị;

• Biến chính;

• Trạng thái thiết bị;

• Các biến động;

Danh mục này có mức độ chuẩn hóa cao nhất và tạo nền tảng cho khả năng tương thích cơ bản giữa các thiết bị cũng như các hệ thống chủ.

Các lệnh Thực hành Chung

– Các lệnh Thực hành Chung cung cấp các chức năng thiết bị thường được yêu cầu, tuy nhiên không phải mọi thiết bị đều phải hỗ trợ mọi lệnh.

Các ví dụ điển hình bao gồm:

• Cài đặt tham số;

• Điều chỉnh phạm vi;

• Đọc thông tin thiết bị bổ sung;

• Thực hiện các chức năng bảo trì thiết bị.

Các lệnh được hỗ trợ thực tế phụ thuộc vào khả năng của từng thiết bị cụ thể.

Lệnh đặc thù cho thiết bị

Các nhà sản xuất có thể triển khai các lệnh đặc thù cho thiết bị nhằm cung cấp các chức năng riêng biệt dành cho từng loại thiết bị cụ thể.

Ví dụ, thiết bị truyền tín hiệu mức radar thông minh, thiết bị truyền tín hiệu áp suất hoặc thiết bị đo lường đa biến có thể hỗ trợ:

• Các tham số phản hồi đặc biệt;

• Khảo tra cảm biến;

• Các chức năng hiệu chuẩn đặc biệt;

• Các tham số cấu hình nâng cao.

Do đó, cụm từ “hỗ trợ HART” không có nghĩa là mọi thiết bị HART đều cung cấp chính xác cùng một tập hợp các chức năng nâng cao.

Giao tiếp Point-to-Point theo chuẩn HART

Giao tiếp Point-to-Point là cấu hình HART phổ biến nhất trong các ứng dụng thực tế trong lĩnh vực công nghiệp;

Một kiến trúc điển hình là:

24 VDC nguồn điện → Bộ truyền tín hiệu thông minh HART → Chu trình 4–20 mA → PLC / DCS;

Một thiết bị giao tiếp cầm tay theo chuẩn HART hoặc modem HART cũng có thể được kết nối vào chu trình này;

Trong chế độ này, tín hiệu từ 4–20 mA vẫn được sử dụng để truyền thông số biến số quy trình chính.

Ví dụ, thiết bị đo mức radar có thể được cấu hình như sau:

4 mA = 0m

20 mA = 10m

Máy PLC có thể đọc trực tiếp mức chất lỏng từ tín hiệu của 4–20 mA.

Đồng thời, nhân viên bảo trì có thể sử dụng kết nối HART để đọc:

• – Mức chất lỏng theo thời gian thực;

• – Khoảng cách;

• – Mã định danh thiết bị;

• Phạm vi đo lường;

• Trạng thái thiết bị;

• Thông tin chẩn đoán;

• Tham số cấu hình;

Do đó, đặc điểm chính của giao thức HART kiểu điểm-điểm là:

Tín hiệu tương tự cung cấp giá trị quy trình sơ cấp nhanh và liên tục, trong khi truyền thông HART kỹ thuật số cung cấp thêm thông tin về thiết bị.

Giao tiếp HART đa điểm là gì?

: HART cũng hỗ trợ giao tiếp đa điểm.

: Trong kiến trúc này, nhiều thiết bị HART có thể được kết nối vào cùng một cặp dây truyền thông và được gán địa chỉ khác nhau thông qua cơ chế thăm hỏi (Polling Addresses).

: Cấu trúc mạng đơn giản hóa như sau:

: Máy chủ HART
|
Bus hai dây
|
+-- Thiết bị HART 01
+-- Thiết bị HART 02
+-- Thiết bị HART 03
+-- Thiết bị HART ...

Một câu nói phổ biến thường thấy trong các tài liệu kỹ thuật cũ là:

HART có thể kết nối tối đa 15 thiết bị đo lường.

Câu nói này không áp dụng cho mọi phiên bản giao thức HART.

Tính năng đa điểm khác nhau tùy theo phiên bản:

• HART 5: tối đa 15 thiết bị tại hiện trường;

• HART 7: tối đa 62 thiết bị tại hiện trường;

HART 7 sử dụng không gian địa chỉ polling rộng hơn, do đó việc coi 15 thiết bị là giới hạn chung cho mọi hệ thống HART hiện đại là không phù hợp.

Trong chế độ multidrop cổ điển, các biến quá trình chủ yếu được đọc kỹ thuật số. Dòng điện vòng của mỗi thiết bị trường thường cố định gần giá trị tối thiểu của nó, thường xung quanh 4 mA, thay vì sử dụng thay đổi dòng điện 4–20 mA để đại diện cho giá trị quá trình chính. Do đó,

Multidrop HART hữu ích cho một số ứng dụng nhất định, nhưng kiến trúc point-to-point với một vòng lặp 4–20 mA mỗi công cụ rất phổ biến trong các hệ thống PLC thông thường và các hệ thống điều khiển quy trình.

Chế độ yêu cầu-phản hồi và burst HART

Cơ chế liên lạc của HART là:

Yêu cầu → Trả lời

Quy trình như sau:

1. Máy chủ gửi lệnh;

2. Thiết bị tại hiện trường nhận lệnh;

3. Thiết bị trả về dữ liệu được yêu cầu.

Ví dụ:

PLC / Máy chủ HART → Đọc giá trị PV

; Thiết bị có thể phản hồi:

PV = 6.25m

– Cấu trúc truyền thông này dễ quản lý và giúp ngăn chặn tình trạng nhiều thiết bị truyền dữ liệu đồng thời.

HART cũng hỗ trợ chế độ Burst ()..

Trong chế độ Burst, sau khi máy chủ cấu hình thiết bị, thiết bị tại hiện trường có thể liên tục công bố dữ liệu đã chọn mà không cần chờ yêu cầu polling thông thường mỗi lần.

Tại sao hệ thống HART thường sử dụng điện trở 250 Ω?

Đây là một trong những câu hỏi thường gặp nhất khi tiến hành vận hành thử hệ thống HART.

Máy modem HART hoặc thiết bị liên lạc cầm tay phải phát hiện tín hiệu AC FSK trong vòng mạch dòng điện.

Nếu trở kháng AC của toàn bộ vòng mạch quá thấp, điện áp được tạo ra bởi tín hiệu HART có thể quá nhỏ để đảm bảo việc truyền thông đáng tin cậy.

Kết quả có thể là:

4–20 mA hoạt động bình thường, nhưng không thể thiết lập kết nối truyền thông HART.

Do lý do này, xấp xỉ:

Điện trở tải 250 Ω (

) thường được sử dụng trong quá trình vận hành thử hệ thống HART.

– Một vòng kiểm tra điển hình như sau:

24 VDC → Bộ phát tín hiệu HART → Điện trở 250 Ω → Vòng nguồn

; Bộ modem HART thường được kết nối song song với điểm đo tín hiệu HART phù hợp.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng:

Không phải mọi hệ thống HART đều cần thêm một điện trở ngoài 250 Ω.

: Mô-đun đầu vào tương tự, bộ cách ly, thiết bị rào chắn hoặc bất kỳ thiết bị vòng mạch nào khác của PLC có thể đã cung cấp điện trở đủ lớn.

: Do đó, cần tính toán và kiểm tra tổng trở kháng của vòng mạch trước khi thêm một điện trở mới.

Tại sao 4–20 mA vẫn hoạt động trong khi kết nối truyền thông HART bị lỗi?

: Đây là tình huống khắc phục sự cố phổ biến trong thực tế vận hành.

1. Trở kháng vòng không đủ

Ví dụ:

, 24 VDC + 2-wire – máy phát

có thể hoạt động bình thường như một vòng khép kín 4–20 mA, nhưng không cung cấp được điện áp tín hiệu HART đủ lớn khi điện trở tải không đủ lớn.

Kết quả là modem HART không thể phát hiện được tín hiệu FSK đủ mạnh.

2. Bộ cách ly tín hiệu không hỗ trợ chức năng truyền qua HART

Một số thiết bị cách ly tín hiệu cũ có thể truyền tín hiệu DC 4–20 mA một cách chính xác nhưng không thể truyền được các tần số AC được sử dụng trong chuẩn HART.

3. Hàng rào an toàn nội tại hoặc thiết bị an toàn nội tại không tương thích với chuẩn HART

. Trong các ứng dụng tại khu vực nguy hiểm, cần kiểm tra tính tương thích với chuẩn HART đối với các thiết bị bức tường an toàn và thiết bị cách ly.

4. Điện dung cáp quá lớn

. Các cáp quá dài hoặc loại cáp không phù hợp có thể làm suy giảm tín hiệu HART ở tần số cao.

5. Đấu dây sai

: Bộ modem HART nên được kết nối theo hướng dẫn của thiết bị – thông thường là kết nối song song tại điểm phù hợp, thay vì kết nối nối tiếp một cách tùy ý với vòng mạch.

6. Thiết bị không hỗ trợ hoặc không kích hoạt chức năng HART

: Khi mua sắm, cần xác nhận rằng:

4–20 mA

và:

4–20 mA + HART

không nhất thiết phải tương ứng với cùng một cấu hình đầu ra.

Các ưu điểm của giao thức HART là gì?

1. Tính tương thích với các hệ thống 4–20 mA hiện có

Đây là một trong những ưu điểm kỹ thuật quan trọng nhất của giao thức HART.

Nhiều hệ thống PLC và DCS hiện đã sử dụng cổng đầu vào tương tự 4–20 mA.

Nếu thiết bị tại hiện trường cũng hỗ trợ giao thức HART, thì kiến trúc điều khiển tương tự hiện có có thể được duy trì mà vẫn bổ sung chức năng truyền thông số.

Do đó, một nhà máy công nghiệp không nhất thiết phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống đấu dây tại hiện trường chỉ để thu thập thông tin từ thiết bị thông minh.

2. Thông tin tương tự và thông tin số trên cùng một cặp dây

Bộ phát 4–20 mA thông thường chủ yếu thông báo cho hệ thống điều khiển:

Giá trị đo được tại thời điểm hiện tại là bao nhiêu?

Giao thức HART có thể cung cấp thêm các thông tin như:

• Thiết bị nào đang được kết nối;

• Phạm vi đo lường được cấu hình là gì;

• Đơn vị kỹ thuật đang được sử dụng là gì;

• Có đang kích hoạt cảnh báo hay không;

• Trạng thái cảm biến là gì;

• Có thể cần thực hiện bảo trì hay không;

• Các biến số bổ sung có sẵn là gì;

Điều này làm tăng đáng kể lượng thông tin có thể truy cập từ thiết bị đo lường tại hiện trường thông minh.

3. Hỗ trợ Cấu hình từ xa

: Nhân viên bảo trì có thể cấu hình một số tham số thông qua thiết bị giao tiếp cầm tay HART hoặc phần mềm mà không cần mở vỏ thiết bị.

: Các chức năng điển hình bao gồm:

• Thiết lập phạm vi đo lường;

• Thay đổi thẻ định danh;

• Thay đổi đơn vị kỹ thuật;

• Đọc các biến số quy trình;

• Kiểm tra thông tin chẩn đoán.

Giải pháp này giúp giảm khối lượng công việc bảo trì tại hiện trường ở các nhà máy có số lượng thiết bị lớn.

4. Hỗ trợ chẩn đoán thiết bị

Giao tiếp kỹ thuật số HART có thể cung cấp nhiều thông tin trạng thái thiết bị hơn so với tín hiệu đơn giản 4–20 mA.

Tùy theo loại thiết bị, các thông tin này có thể bao gồm:

• Sự cố cảm biến;

• Trạng thái thiết bị;

• Trạng thái đầu ra;

• Thay đổi cấu hình;

• Thông tin chẩn đoán.

– Thông tin này có thể hỗ trợ công tác bảo trì phòng ngừa và chẩn đoán sự cố.

5. Mức độ chuẩn hóa cao

– HART xác định các cơ chế truyền thông chuẩn hóa và các lệnh phổ quát.

– Các thiết bị tuân thủ phải thực hiện chính xác các lệnh phổ quát phù hợp, từ đó tạo nền tảng cho khả năng tương thích cơ bản giữa các thiết bị hiện trường và hệ thống chủ.

Những nhược điểm của giao thức HART là gì?

– HART không phải là phương thức truyền thông lý tưởng cho mọi ứng dụng công nghiệp.

1. Tốc độ truyền thông kỹ thuật số tương đối thấp

: Chế độ truyền thông HART FSK hoạt động ở tốc độ:

, 1200bit/s,

. Sản phẩm này phù hợp cho:

• – Cấu hình thiết bị;

• – Kiểm tra và sửa chữa thiết bị;

• – Dữ liệu quy trình chậm;

• – Thông tin bảo trì.

Tuy nhiên, sản phẩm này không phù hợp với:

• khối lượng dữ liệu tốc độ cao;

• việc lấy mẫu tần số cao;

• hình ảnh;

• tệp tin lớn;

• điều khiển chuyển động tốc độ cao.

Đây là một trong những điểm khác biệt rõ rệt nhất giữa hệ thống HART cổ điển và các hệ thống Ethernet công nghiệp tốc độ cao hiện đại.

2. Hiệu suất hạn chế đối với việc thu thập dữ liệu đa tham số quy mô lớn

: Mặc dù chuẩn HART cho phép kết nối nhiều thiết bị, nhưng băng thông bus của 1200bit/s có thể trở thành yếu tố giới hạn khi nhiều thiết bị phải được kiểm tra thường xuyên để lấy giá trị của nhiều biến số kỹ thuật số.

Do đó:

Khả năng kết nối nhiều thiết bị không đồng nghĩa với việc mạng này phù hợp cho việc thu thập dữ liệu tần số cao từ nhiều thiết bị.

3. Cần chú ý đến trở kháng vòng và tính tương thích của thiết bị

: Một vòng 4–20 mA cơ bản thường khá đơn giản khi nguồn điện, tải và phạm vi đo lường đều được thiết lập đúng.

: Khi tích hợp chuẩn HART, cần xem xét thêm các yếu tố sau:

• – Trở kháng HART;

• – Điện dung cáp;

• – Hàng rào an toàn nội tại;

• – Bộ cách ly tín hiệu;

• – Mô-đun đầu vào tương tự;

• – Modem HART;

• – Cấu trúc đấu dây.

: Một số thiết bị có thể truyền 4–20 mA chính xác nhưng có thể không thông qua kết nối truyền thông HART.

4. Các chức năng nâng cao có thể yêu cầu sử dụng tệp mô tả thiết bị

; nếu chỉ cần các lệnh Universal tiêu chuẩn, việc tương thích sẽ tương đối đơn giản.

Tuy nhiên, nếu máy chủ cần truy cập vào:

• Các tham số nâng cao;

• Các công cụ chẩn đoán đặc thù của nhà sản xuất;

• Các chức năng cấu hình đặc biệt;

thì hệ thống có thể yêu cầu:

Gói thiết bị EDD / DD / FDI;

Điều này khiến việc tích hợp hệ thống trở nên phức tạp hơn so với việc đơn thuần đọc tín hiệu 4–20 mA.

Sự khác biệt giữa HART và RS-485 Modbus RTU là gì?

– Đây là câu hỏi thường gặp khi lựa chọn cảm biến và bộ truyền tín hiệu công nghiệp.

– Không có giao thức nào là ưu việt hơn đối với mọi trường hợp.Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào kiến trúc điều khiển và truyền thông.

Khi nào nên lựa chọn HART?

Nếu hệ thống hiện có đã sử dụng:

4–20 mA + PLC / DCS

, nhưng dự án còn yêu cầu:

• Đọc thông số;

• Cấu hình từ xa;

• Chẩn đoán trạng thái;

• Quản lý thiết bị;

thì:

4–20 mA + HART thường là lựa chọn phù hợp.

Ví dụ:

– Thiết bị đo mức radar → 4–20 mA/HART → PLC / DCS

Ngay cả khi không sử dụng truyền thông HART kỹ thuật số ngay lập tức, PLC vẫn có thể thu được giá trị mức sơ cấp từ tín hiệu của 4–20 mA.

RS-485 và Modbus RTU nên được lựa chọn vào thời điểm nào?

Nếu hệ thống tập trung vào:

• Tích hợp nhiều cảm biến;

• Thu thập dữ liệu kỹ thuật số;

• Giao tiếp RTU;

• Bộ chuyển tiếp 4G;

• MQTT;

• HTTP;

• Các nền tảng điện toán đám mây IoT;

, sau đó là RS-485 và Modbus RTU – thường được sử dụng theo cách tiếp cận trực tiếp hơn.

– Kiến trúc điển hình như sau:

→ Cảm biến → RS-485 / Modbus RTU → Cổng IoT → 4G / Ethernet → MQTT / HTTP → Nền tảng đám mây

; do đó, Modbus RTU thường được sử dụng trong các hệ thống giám sát mực nước từ xa, giám sát nông nghiệp, giám sát môi trường và các hệ thống IoT công nghiệp.

Thiết bị công nghiệp nào thường sử dụng chuẩn HART?

HART được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị tự động hóa quy trình.

Bộ phát mức bằng radar

Kiến trúc điển hình:

Bộ phát mức bằng radar → 4–20 mA/HART → PLC / DCS;

Hệ thống có thể thu thập đồng thời tín hiệu mức độ dạng tương tự và thông tin thiết bị dạng số.

Bộ truyền tín hiệu áp suất

Giá trị áp suất được truyền đến PLC thông qua 4–20 mA; đồng thời có thể sử dụng chuẩn HART để cấu hình phạm vi đo, đọc trạng thái và bảo trì.

Bộ truyền tín hiệu áp suất chênh lệch

Các ứng dụng phổ biến bao gồm:

• Đo lưu lượng;

• Đo mức chất lỏng;

• Đo áp suất chênh lệch của bộ lọc;

• Áp suất quy trình.

Bộ truyền tín hiệu nhiệt độ

Cả RTD hay cặp nhiệt điện đều có thể được kết nối với bộ truyền tín hiệu nhiệt độ – thiết bị chuyển đổi tín hiệu cảm biến thành 4–20 mA/HART để kết nối với hệ thống điều khiển.

Bộ đo lưu lượng

Một số thiết bị đo lưu lượng sử dụng chuẩn HART để:

• Đọc biến số quy trình;

• Cấu hình đơn vị;

• Chẩn đoán;

• Quản lý tham số.

METRAVON Các thiết bị công nghiệp có thể được tích hợp vào hệ thống HART như thế nào?

– Đối với các dự án thiết bị đo lường công nghiệp METRAVON, nếu mẫu thiết bị cụ thể hỗ trợ đầu ra 4–20 mA/HART, thì kiến trúc truyền thông có thể được thiết kế dựa trên hệ thống điều khiển hiện có.

– Ví dụ:

– Thiết bị đo lường tại hiện trường
|
4–20 mA / HART
|
PLC / DCS

Hệ thống cũng có thể bao gồm:

Thiết bị liên lạc cầm tay HART / Modem HART / HART I/O

: Nếu dự án cần tải dữ liệu thiết bị lên mạng Công nghiệp Internet hoặc nền tảng giám sát từ xa, kiến trúc có thể được thiết lập như sau:

– Thiết bị đo lường HART → Cổng HART hoặc thiết bị thu thập dữ liệu hỗ trợ HART → Ethernet/4G → SCADA hoặc nền tảng IoT

; Lưu ý:

– Không phải tất cả thiết bị công nghiệp METRAVON đều hỗ trợ chuẩn HART theo mặc định.

: Giá trị đầu ra yêu cầu cần được xác nhận tùy theo mẫu cụ thể:

• , 4–20 mA;

• , 4–20 mA/HART;

• , RS-485, Modbus RTU;

Điều gì cần xác nhận khi tích hợp hệ thống HART?

Khi mua hoặc tích hợp thiết bị HART, cần xác nhận các thông số sau:

1. Phiên bản giao thức HART;

2. Cấu hình 2-wire hoặc 4-wire;

3. Khoảng điện áp nguồn;

4. Hệ số tỷ lệ đo 4–20 mA;

5. Điện trở vòng lặp tối đa được cho phép;

6. Mô-đun đầu vào tương tự PLC có hỗ trợ HART hay không;

7. Có lắp đặt rào chắn an toàn hoặc thiết bị cách ly tín hiệu hay không;

8. : Thiết bị cách ly có hỗ trợ tính năng truyền dữ liệu HART hay không;

9. : Có cần thiết phải sử dụng thiết bị liên lạc cầm tay HART hay không;

10. : Có cần thiết phải sử dụng modem HART cho máy tính hay không;

11. : Có cần thiết phải sử dụng tệp thiết bị DD, EDD hoặc FDI hay không;

12. Cần phải đọc các thông số đặc thù của nhà sản xuất hay không?

Đối với các ứng dụng tại khu vực nguy hiểm, các thông số an toàn nội tại, rào chắn an toàn, nguồn cấp điện và thiết kế vòng kín hoàn chỉnh cũng cần được xem xét. Riêng bản giao thức truyền thông là không đủ để thiết kế hệ thống.

Câu hỏi thường gặp: Các câu hỏi phổ biến về Giao thức HART

Q1: Giao thức HART là tín hiệu tương tự hay tín hiệu số?

Giao thức này bao gồm cả hai dạng.

Classic HART tích hợp giao tiếp FSK kỹ thuật số lên tín hiệu tương tự của 4–20 mA, cho phép thông tin quy trình tương tự và dữ liệu thiết bị kỹ thuật số cùng tồn tại trên cùng một vòng truyền tín hiệu.

Q2: Tốc độ giao tiếp HART là bao nhiêu?

Giao tiếp FSK HART có dây phiên bản Classic hoạt động ở tốc độ:

1200bit/s

Thiết bị này phù hợp cho việc cấu hình thiết bị đo lường, chẩn đoán và đọc dữ liệu quy trình, nhưng không phù hợp cho giao tiếp dữ liệu tốc độ cao.

Q3: Liệu HART có yêu cầu sử dụng RS-485 không?

: Không.

: Giao thức HART truyền thống (có dây) sử dụng phương thức truyền thông FSK trên vòng luồng dòng điện 4–20 mA; trong khi RS-485 là giao diện vật lý nối tiếp vi sai.

: Đây là hai công nghệ truyền thông vật lý khác nhau.

Q4: Mối quan hệ giữa HART và 4–20 mA là gì?

: 4–20 mA truyền tải biến số quy trình chính.

: HART bổ sung phương thức truyền thông kỹ thuật số vào cùng vòng luồng này.

Do đó:

; 4–20 mA/HART không giống với 4–20 mA thông thường.

Q5: Tại sao điện trở 250 Ω thường được sử dụng trong truyền thông HART?

: Bộ modem HART cần điện áp tín hiệu AC đủ lớn để đảm bảo truyền thông ổn định.

: Tải điện trở 250 Ω là cấu hình kỹ thuật phổ biến.

Nếu mô-đun đầu vào PLC hoặc thiết bị khác đã cung cấp điện trở vòng đủ lớn, thì có thể không cần thêm điện trở bổ sung.

Q6: Có thể kết nối bao nhiêu thiết bị vào mạng đa điểm HART?

Câu trả lời không phải lúc nào cũng là “15 thiết bị”.

Số lượng này phụ thuộc vào phiên bản HART:

• HART 5: tối đa 15 thiết bị;

• HART 7: tối đa 62 thiết bị tại hiện trường;

Công suất hệ thống thực tế cũng phụ thuộc vào nguồn điện, mức tiêu thụ dòng điện, băng thông truyền thông, cấu trúc mạng và tính tương thích của các thiết bị.

Q7: Bộ phát HART có thể kết nối với cổng đầu vào tương tự PLC không?

Phần 4–20 mA thường có thể kết nối được.

Tuy nhiên, nếu PLC cũng cần đọc thông tin kỹ thuật số HART, thì mô-đun đầu vào tương tự của PLC hoặc thiết bị truyền thông bên ngoài phải hỗ trợ chuẩn HART.

Q8: Liệu cảm biến 4–20 mA thông thường có thể được chuyển đổi sang chuẩn HART thông qua phần mềm không?

Không, không thể chỉ bằng phần mềm.

Chuẩn HART yêu cầu phần cứng điều chế và giải điều chế ở tầng vật lý phù hợp, một chồng giao thức HART và việc triển khai thiết bị tuân thủ tiêu chuẩn này.

Q9: Giải pháp nào tốt hơn cho IoT công nghiệp – HART hay Modbus?

; Nếu kiến trúc chính là:

, RS-485 → cảm biến → Gateway → 4G → MQTT / HTTP

Modbus RTU thường trực tiếp hơn;

– Nếu hệ thống công nghiệp hiện có được xây dựng dựa trên:

4–20 mA → PLC / DCS

; trong trường hợp cần thêm cấu hình, kiểm tra và thông tin về thiết bị, HART có thể là lựa chọn phù hợp hơn.

Q10: Nếu kết nối truyền thông HART bị lỗi, thì tín hiệu 4–20 mA có bị ngừng hoạt động không?

Không nhất thiết.

Một trong những đặc điểm then chốt của chuẩn HART là việc truyền thông kỹ thuật số và tín hiệu quy trình chính 4–20 mA có thể hoạt động song song.

Ví dụ, nếu kết nối truyền thông HART bị lỗi do sự cố modem, điện trở vòng khép kín không đủ hoặc vấn đề tương thích, thì tín hiệu quy trình 4–20 mA vẫn có thể tiếp tục hoạt động bình thường.

Đây là một lợi thế kỹ thuật quan trọng của chuẩn HART trong các hệ thống tự động hóa quy trình truyền thống.

Kết luận: Giá trị cốt lõi của HART là truyền thông kỹ thuật số mà vẫn duy trì tính tương thích 4–20 mA

Giao thức HART không được thiết kế chủ yếu cho truyền thông tốc độ cao.

Giá trị chính của nó là:

Duy trì tín hiệu quy trình tương tự – vốn đã trưởng thành và đáng tin cậy – 4–20 mA đồng thời bổ sung chức năng truyền thông kỹ thuật số hai chiều qua cùng một đường dây trường.

Do đó, thiết bị truyền tín hiệu áp suất hỗ trợ chuẩn HART, thiết bị truyền tín hiệu mức bằng radar, thiết bị truyền tín hiệu nhiệt độ hoặc thiết bị đo lưu lượng có thể cung cấp biến số quy trình chính cho PLC, đồng thời cung cấp thông tin cấu hình, trạng thái và thông tin chẩn đoán cho các hệ thống bảo trì và quản lý tài sản.

– Từ góc độ lựa chọn hệ thống:

– Đối với các ứng dụng điều khiển quy trình truyền thống, các ứng dụng DCS (PLC/DCS) hoặc việc nâng cấp các hệ thống 4–20 mA hiện có, 4–20 mA/HART thường là lựa chọn đáng cân nhắc.

Đối với việc thu thập dữ liệu kỹ thuật số từ nhiều cảm biến, các thiết bị RTU, cổng kết nối 4G và các dự án IoT công nghiệp, các sản phẩm RS-485 và Modbus RTU có thể cung cấp phương thức tích hợp trực tiếp hơn.

Đối với các dự án thiết bị đo lường công nghiệp METRAVON, cần xác nhận thông số như giao diện PLC/DCS, khoảng cách truyền dẫn, số lượng thiết bị đo lường, yêu cầu chẩn đoán, yêu cầu về nền tảng IoT và việc tái sử dụng hệ thống dây dẫn tại hiện trường 4–20 mA trước khi lựa chọn 4–20 mA, 4–20 mA/HART hoặc RS-485 Modbus RTU.