فهرست
ارتباط با ماشین آلات و ابزارهای کنترل و اندازه‌گیری اساس اتوماسیون صنعتی است. امروزه به دلیل پیشرفت چشمگیر تکنولوژی، تقریبا تمام سیستم‌های پردازش صنعتی از مکانیزاسیون به اتوماسیون تبدیل شده‌اند. در واقع استفاده از سیستم‌های کنترلی و تکنولوژی‌های ارتباطی برای مدیریت بهتر فرآیندها در صنعت امری ضروری است. بنابراین طیف گسترده‌ای از صنایع و شرکت‌ها در بخشهای مختلف به جهت بهبود عملکرد، افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها به دنبال چنین تکنولوژی‌هایی هستند. یکی از تکنولوژی‌های ارتباطی پروتکل هارت[Highway Addressable Remote Transducer] (HART) است که در ادامه به معرفی آن می‌پردازیم
ساده‌ترین، مقاوم‌ترین و قدیمی‌ترین تکنیک ارتباطی پیاده‌سازی شده، یک حلقه جریان[Current Loop] با محدوده نرمال 4 تا 20 میلی آمپر است. با استفاده از یک فرستنده، یک گیرنده، سنسور و منبع تغذیه، امکان انتقال داده‌های فرآیند وجود دارد. خروجی حلقه جریان بصورت آنالوگ می‌باشد که به دلیل توان زیاد، در فواصل طولانی ارتباط، در برابر تداخل محیطی مصون است و قابلیت اعتماد بالایی دارد. با این حال، نقطه ضعف حلقه جریان این است که یک حلقه فقط امکان ارتباط یک طرفه را برقرار می‌کند و برای ارتباط دو طرفه قابل استفاه نیست.
HART به معنی مبدل کنترل‌کننده از راه دور است. پروتکل هارت که در اواسط دهه 1980توسعه یافت، استاندار جهانی برای ارسال و دریافت اطلاعات دیجیتالی از طریق سیم‌های آنالوگ بین دستگاه‌های میدان [Field Devices] و سیستم‌های کنترل یا نظارت، مانند PLC و DCS[Distributed Control System] است. ارتباط دوطرفه هارت دسترسی به اطلاعات اضافی بین میدان و کنترل‌کننده میزبان[Host] را فراهم می‌کند، که می‌تواند از یک دستگاه دستی تا یک کنترل‌کننده کارخانه یا سیستم مدیریت دارایی را شامل شود. این اطلاعات دیجیتالی دو طرفه از شبکه 4 تا 20 میلی آمپری موجود استفاده می‌کند و استقرار آن را در زیرساخت‌های موجود آسان می‌کند.
کلید اجرای موفقیت‌آمیز پروتکل هارت، توانایی رمزگذاری[Encode] و رمزگشایی[Decode] دقیق سیگنال‌های ارتباطی هارت و همچنین امکان برقراری ارتباط دو طرفه در محیط‌های صنعتی دارای شرایط حساس، ناآرام و نویزی است. این پروتکل در بسیاری از کاربردهای صنعتی موفق ظاهر شده است.
مهمترین ویژگی‌های عملکرد پروتکل هارت عبارتند از:
پروتکل هارت برای همپوشانی سیگنال‌های ارتباطی دیجیتال و سیگنال آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپر، از استاندارد FSK (Frequency Shift Keying) استفاده می‌کند. پروتکل ارتباطی هارت با نرخ bps ۱۲۰۰ بادریت اتفاق می‌افتد، که این امکان را برای یک برناه میزبان (یا مستر) فراهم می‌کند تا دو یا چند بروزرسانی دیجیتال را از یک دستگاه دریافت کند.
بنابراین پروتکل هارت حداقل دو کانال ارتباطی همزمان را فراهم می‌کند: سیگنال آنالوگ 4 تا20 میلی آمپر و سیگنال دیجیتال. سیگنال 4 تا20 میلی آمپر مقدار اندازه‌گیری شده اولیه (مثلا دمای یک فرآیند) را منتقل می‌کند. اطلاعات اضافی (مانند وضعیت دستگاه، تشخیص، مقادیر اضافی اندازه‌گیری یا محاسبه شده و …) با استفاده از یک سیگنال دیجیتالی که روی سیگنال آنالوگ قرار می‌گیرد، مخابره می‌شود . این دو کانال ارتباطی با هم یک راه حل کامل، کم هزینه، بسیار مقاوم ارائه می‌کنند.
ارتباط پروتکل هارت بین دو دستگاه مجهز به هارت (معمولا یک حسگر هوشمند یا دستگاه محرک) و یک سیستم کنترل یا نظارت پدیدار می‌شود.
پروتکل هارت یک پروتکل ارتباطی Master-Slave است، به این معنی که در طول عملیات، ارسال داده از Slave (دستگاه هارت) توسط فرمانی از دستگاه ارتباطی Master (میزبان) آغاز می‌شود. به عنوان مثال، Master یا Host معمولا یک سیستم کنترل توزیع شده، PLC یا مبتنی بر رایانه شخصی است. دستگاه Slave معمولا وسیله‌ای برای اندازه‌گیری برخی متغیرهای فیزیکی مانند فشار، سطح، دما، جریان یا حتی یک محرک الکترومکانیکی است.
پروتکل هارت در دو حالت نقطه به نقطه یا چندانشعابی می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد.
در حالت نقطه به نقطه، یک حلقه جریان واحد برقرار می‌شود که با یک دستگاه هارت و سیستم نظارت ارتباط برقرار می‌کند. متغیر اولیه با استفاده از سیگنال آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپر حرکت می‌کند، در حالی که اطلاعات اضافی به صورت دیجیتالی روی حلقه انتقال می‌یابد.
در حالت چندانشعابی، تمام دستگاه‌های هارت به صورت موازی هستند و یک خط انتقال واحد را به اشتراک می‌گذارند. هر دستگاه در 4 میلی آمپر ثابت می‌ماند و تنها ترافیک داده از طریق کانال دیجیتال انجام می‌شود. با توجه به اینکه ارتباط همزمان با چندین ابزار امکان‌پذیر نیست، هر دستگاه، آدرس هارت منحصر به فرد خود را خواهد داشت. در حال حاضر پروتکل HART v07 امکان اتصال حداکثر 64 دستگاه را در این حالت فراهم می‌کند . از این روش اتصال بیشتر در مواردی که هدف نصب و ایجاد کنترل نظارتی توزیع شده باشد مثل خطوط لوله، ایستگاه‌های انتقال مواد، مخازن و انبارها استفاده می‌شود.
برای اطمینان از اینکه هر دستگاه مجهز به هارت می‌تواند به درستی ارتباط برقرار کند و به یک فرمان با اطلاعات درست پاسخ دهد، مجموعه‌ای از دستورها در مشخصات هارت تعریف شده و در تمام دستگاه‌های هارت، پیاده‌سازی شده است.
کاربر نیازی به نگرانی در مورد این دستورات ندارد زیرا در توابع میزبان[Host Functions] گنجانده شده است. ویژگی‌های خاص دستگاه (فرمان‌های خاص دستگاه) از طریق فایل Device Description (DD) در دسترس میزبان است که به عنوان نوعی درایور عمل می‌کند.
مجموعه دستورات هارت یک رابط ارتباطی استاندارد برای تمام دستگاه های پایانی فراهم می‌کند. سیستم کنترل میزبان یا مانیتورینگ می‌تواند هر یک از دستورات موجود را اجرا کند و دستورات مورد نیاز را برای استفاده در یک برنامه خاص انتخاب کند. مجموعه دستورات شامل سه دسته است:
این دستورات باید توسط تمام دستگاه‌هایی که از پروتکل هارت استفاده می‌کنند شناسایی و پشتیبانی شوند. این دستورات شامل اطلاعات مربوط به اسم و نوع دستگاه، متغیر اصلی اندازه‌گیری و … است.
این مجموعه از دستورات، توسط بسیاری (اما نه لزوما همه) از دستگاه‌های ارتباطی هارت اجرا می‌شوند. از این دستورات که به نوعی عمومیت یافته‌اند، می‌توان برای تنظیم پارامترهای اصلی دستگاه استفاده کرد.
دسته سوم فرمان‌هایی هستند که مختص یک دستگاه خاص و یک شرکت سازنده خاص است و اطلاعات مربوط به دستورهای دستگاه خاص از سازندگان دستگاه در دسترس است. این دستورات به اطلاعات پیکربندی و کالیبراسیون و همچنین اطلاعات مربوط به ساخت دستگاه دسترسی دارند.
چندین ویژگی توسط هارت برای کاهش زمان لازم برای راه‌اندازی کامل یک شبکه یا حلقه‌ی هارت ارائه شده است که کار را آسان‌تر می‌کند. از جمله این ویژگی‌ها می‌توان به شناسایی و تایید آسان دستگاه هارت، تایید آسان یکپارچگی حلقه و نگهداری سوابق دستگاه نصب شده اشاره کرد. صرف زمان کمتر در راه‌اندازی دستگاه منجر به صرفه جویی در هزینه می‌شود.
قبل از نصب، معمولا یک برچسب به همراه سایر اطلاعات شناسایی و پیکربندی هر ابزاری که به فیلد می‌رود درج می‌شود. این اطلاعات معمولا زمانی ارائه می‌شود که دستگاه توسط مستر[Master] درخواست شود. پس از نصب، شناسایی ابزار و برچسب می‌توانند با استفاده از پیکربندی دستگاه، به راحتی تایید شوند. که این پیکربندی دستگاه می‌تواند یک ارتباط دستی یا یک رایانه شخصی با استفاده از مودم متصل به دستگاه یا حتی حلقه 20-4 میلی آمپر باشد.
برخی از دستگاه‌های میدانی، اطلاعاتی در مورد پیکربندی فیزیکی خود ارائه می‌دهند. داده‌های فیزیکی و سایر داده‌های پیکربندی را می‌توان در اتاق کنترل تایید کرد. فرآیند تایید برای ایمنی و مطابق با مقررات دولتی و الزامات کیفیت ISO[ International Organization for Standardization] مهم است.
فرآیند راه‌اندازی را می‌توان با اتصال یک برنامه‌ی پیکربندی مبتنی بر رایانه شخصی به حلقه هارت ساده‌تر کرد. که این را می‌توان با ادغام سیستم کنترل یا با استفاده از سیستم‌های ورودی/خروجی مالتی پلکس هارت انجام داد. با این رویکرد متمرکز، در طول راه‌اندازی تمام دستگاه‌های موجود در شبکه، نیازی به انتقال دستگاه از یک پیکربندی نقطه پایانی[Endpoint] به پیکربندی بعدی نیست.
هنگامی که یک ابزار میدانی شناسایی شد و داده‌های پیکربندی آن تایید شد، یکپارچگی مدار آنالوگ را می‌توان با استفاده از ویژگی تست حلقه تایید کرد که توسط بسیاری از دستگاه‌های مجهز به هارت پشتیبانی می‌شود.
تست حلقه اجازه می‌دهد تا سیگنال آنالوگ یک فرستنده[Transmitter] هارت روی یک مقدار خاص تنظیم شود. این مقدار ثابت یکپارچگی حلقه را بررسی می‌کند و اتصال فیزیکی مناسب بین تمام دستگاه‌های شبکه را تضمین می‌کند.
اگر مقدار آنالوگ با مقدار دیجیتال گزارش شده در یک دستگاه مقایسه شود، می‌توان یکپارچگی حلقه را بررسی کرد. برای مثال، ممکن است یک آفست آنالوگ با اندازه‌ی 4 تا 20 میلی آمپر وارد شده باشد که در سیستم کنترل شمارش نشده باشد. با مقایسه مقدار دیجیتال متغیر اولیه با مقدار آنالوگ، می‌توان یکپارچگی حلقه را به راحتی بررسی کرد.
برای دریافت اطلاعات دستگاه‌هایی که مجهز به هارت هستند، پروتکل هارت راه‌های مختلفی را ارائه می‌دهد. برای این کار می‌توان از یک اتصال فیزیکی استفاده کرد. این اتصال می‌تواند بصورت موقت یا دائم باشد.
می‌توان به همه داده‌های هارت از یک دستگاه مجهز به هارت در هر نقطه از سیگنال 4-20 میلی آمپر دسترسی داشت. لازم نیست اتصال در پایانه[ Terminal]های دستگاه باشد. این ویژگی می‌تواند تعداد مخابره‌های میدانی را کاهش دهد، زیرا دسترسی را می‌توان در پنل رله یا پایانه انجام داد.
دستگاه های دارای پروتکل هارت را می‌توان بصورت نرم‌افزاری یا سخت‌افزاری ارائه شده توسط شرکت‌های عضو گروه فیلدکام [The FieldComm Group] پیکربندی کرد.
برخی از سیستم‌های کنترل و نظارت، منابع پیکربندی را برای دستگاه‌های متصل (اتصال بصورت دائم) فراهم می‌کنند. برای پیکربندی یک دستگاه مجهز به هارت می‌توان هم از یک ابزار پیکربندی دستی و هم از یک رایانه شخصی استفاده کرد. که این رایانه یک برنامه‌ی پیکربندی دستگاه و یک مودم هارت را اجرا می‌کند. درهر دو حالت، یک منبع تغذیه و یک مقاومت بار نیز مورد نیاز است.
ارتباطات دستی قابل حمل هستند (معمولا با باتری کار می‌کنند) و می‌توانند در مجموعه وسیعی از محیط‌ها کار کنند. که توسط تامین کنندگان در سراسر جهان در دسترس هستند و توسط گروه فیلدکام پشتیبانی می‌شوند. این پیکربندی کننده‌ها می‌توانند با نصب فایل (DD) مناسب برای آن دستگاه، به طور کامل هر دستگاه هارت را پیکربندی کنند.
حتی بدون داشتن DD برای یک دستگاه خاص، پیکربندی کننده همچنان می‌تواند با استفاده از دستورات HART Universal و Common Practice ارتباط برقرار کرده و آن را پیکربندی کند
همچنین می‌توان یک دستگاه مجهز به هارت را با رایانه رومیزی یا لپ‌تاپ یا سایر دستگاه‌های قابل حمل پیکربندی کرد. برای انجام این کار، از یک نرم افزار مبتنی بر رایانه و یک مودم رابط هارت استفاده می‌شود. در مقایسه با ارتباط دستی، رایانه شخصی می‌تواند نمایشگر بهبود یافته‌ای را ارائه دهد. همچنین می‌تواند بیشتر DD ها و تنظیمات دستگاه را پشتیبانی کند. با توجه به ماهیت بحرانی تنظیمات دستگاه در محیط کارخانه، رایانه‌های شخصی می‌توانند به عنوان ذخیره‌سازی پشتیبان برای ارتباط دهنده‌های داده دستی نیز استفاده شوند.
شرکت مهندسی‌سازان فیدارآزما (دانش بنیان) در اوایل سال ۱۳۹۲ با هدف استفاده از تجربیات موجود در زمینه‌های الکترونیک، ابزار دقیق، آشکارسازی پرتوهای رادیواکتیو و منابع تغذیه خاص، تأسیس شد.