هدف پروتکل هارت که بر اساس استاندارد ارتباطی FSK موجود در سامانه های مخابراتی پایه گذاری شد و با بهره گیری از روش FSK عمل میکند. سوار کردن سیگنال های دیجیتال بر روی سیگنال آنالوگ 4 تا 20mA است. پروتکل هارت قادر است ارتباط دو طرفه مطمئن و امنی را میان مجموعه ای از تجهیزات نصب شده در فیلد و تجهیزات اتاق کنترل برقرار نماید. سیگنال های دیجیتال مذکور اطلاعاتی از قبیل مشخصات تجهیزات، کالیبراسیون و خطاها را دربردارند که ارسال این نوع اطلاعات توسط سیگنال آنالوگ 4-20mA امکان پذیر نیست. البته بدیهی است تمامی دستگاههای مورد استفاده در اتوماسیون، فرآیند یک واحد صنعتی از قبیل ترانسمیترها، شیرهای کنترلی، رایانه ها، سامانه های کنترل DCS وplc می توانند از این پروتکل برای برقراری ارتباط با یکدیگر استفاده نمایند.

سیگنال حامل در این پروتکل جریان ۲۰-۴ میلی آمپر می‌باشد. این قابلیت امکان استفاده از این پروتکل را بر روی زوج سیم‌‌های قدیمی ممکن می‌سازد. در این روش هر یک از داده‌های ۰ و ۱ در ارتباط دیجیتال دارای فرکانس مربوط به خود است.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می‌شود سیگنال قرمز رنگ سیگنال آنالوگ بوده که یک سیگنال جریانی می‌باشد و سیگنال دیجیتال بر آن اضافه شده است.در این ارتباط فرکانس ۱۲۰۰ هرتز بیانگر ۱ منطقی و فرکانس ۲۲۰۰ هرتز بیانگر ۰ منطقی می‌باشد .یکی از مهمترین خصوصیات HART  قابلیت مبادله اطلاعات با سیستم‌های اتوماسیون قدیمی و مدرن از طریق سیگنال استاندارد صنعتی آنالوگ ۲۰-۴ میلی آمپر می‌باشد به طوری‌که امکان ارسال سایر داده‌ها را از طریق سیگنال‌های دیجیتال و بر روی همان زوج سیم را داشته باشیم.

بخش دیجیتالی ارتباط  HART مي‌تواند، بدون قطع سيگنال آنالوگ 4 تا 20 میلی آمپری، حدود 2 تا 3 بار در هر ثانيه به روز شود . دستگاههای مجهز به سیستم ارتباطی HART برای ارتباط برقرارکردن در حلقه های ابزار دقیقی به حداقل امپدانس حلقه 230 اهمي (بطور نوعی 250 اهم) نياز دارند.

HART   بطور نوعي پروتکلي ارتباطي از نوع درخواست – پاسخ است ، یعنی در طي عمليات معمولي (به روزآوري 2داده ها  تا 3 بار در هر ثانيه) ، توسط يک وسيله ارتباطي ميزبان (Host) ،ارتباط با هر يک از وسائل نصب شده در سايت آغاز مي‌شود. به هر حلقه HART  ، دو ميزبان مي‌تواند وصل شود اولين ميزبان، بطور معمول يک سيستم کنترل توزيع شده (DCS) ، کنترل کننده منطقي با قابليت برنامه‌ريزي (PLC) ، يا يک کامپيوتر شخصي (PC) است. ميزبان دوم، مي‌تواند  يک پایانه دستي (hand held) يا PC ديگر باشد.

دستگاههاي نصب شده در سايت شامل ترانسميترها، حسگرها، ترانسدیوسرها ، عملگرها (Actuators) و کنترل کننده‌هايي هستند که به فرمانهاي ميزبان اول يا دوم پاسخ مي‌دهند.

ارتباطات دیجیتال HART از مدل درخواست/پاسخ برای ارتباط استفاده می‌کنند. بدین معنی که تجهیزات مبتنی بر HART هیچگونه اطلاعاتی ارسال نمی‌کنند مگر درخواستی از سمت کنترل مرکزی به آن دستگاه ارسال شده باشد.

برای مثال اگر یک دستگاه Slave بوسیله پروتکل HART با Master در حال ارتباط باشد اشکالی در خود و یا فرآیند مشاهده کند، نمی‌تواند این اطلاعات را برای سیستم مرکزی ارسال نماید مگر در صورتی که سیستم مرکزی و یا Master درخواست ارسال داده را برای آن بفرستد.

ارسال اطلاعات می‌توانند استثنا خارج از این مدل باشد که در این صورت ارسال اطلاعات بصورت روش ارتباطی پیوسته (HART  Burst Mode Communication) نامیده می‌شود.

تجهیزات مبتنی بر پروتکل HART  می‌توانند بدون تکرار درخواست سیستم مرکزی ، بخشی از اطلاعات را بصورت پیوسته برای سیستم کنترل ارسال کنند.

این روش ارتباطی که به نام Burst Mode  معروف می‌باشد معمولا جهت ارسال سیگنال‌های تک متغییره از قبیل مقدار اندازه‌گیری شده (Measured Values) یا PV  (Process Variable ) استفاده می‌شود.

با استفاده از روش Burst  Mode  می‌توان بیش از سه پیام را ظرف مدت یک ثانیه ارسال نمود.

اولین و مهم ترین مزیت HART فراهم آوردن یک ارتباط با بستر دو سیمه روی سیگنال 4-20 mA بدون تداخل با آن می­باشد. سیگنال اطلاعات به علت دامنه کوچک و شکل موج سینوسی که مقدار میانگین آن صفر است روی سیگنال 4-20 mA اثری نمی­گذارد. از سوی دیگر سیگنال 4-20 mA با فرکانس 10 Hz تغییرات خواهد داشت که با فرکانس سیگنال HART تداخلی نخواهد داشت با این وجود در گیرنده HART یک فیلتر با فرکانس قطع 400 Hz تا 800 Hz دریافت اطلاعات HART و به طبع یک فیلتر پایین گذر جهت دریافت سیگنال 4-20 mA در نظر گرفته می­شود.

از مزایای دیگر HART می توان به سادگی در کارکرد، ایجاد یک ارتباط راه دور ، عیب یابی آسان در Field و تنوع محصولات اشاره کرد. با استفاده از HART می توان پارامترهای موردنظر را به ترانسمیترها و سایر ادوات صنعتی متصل به شبکه فرستاد به عنوان مثال می توان پارامترهای مورد نظر را به ترانسمیترها و سایر ادوات صنعتی متصل به شبکه فرستاد. به عنوان مثال می توان با استفاده از HART بازه ترانسمیترهای دما، فلو و فشار را تغییر داد.

پروتکل HART امکانات زیادی را حتی برای عملیات نصب تجهیزاتی که به حلقه های متداول 4-20 mA مجهزند، فراهم می کند. دستگاه هایی که با HART کار میکنند، سیگنال های اطلاعاتی خود را از طریق خطوط ارتباطی متداول 4-20 mA منتقل می­کنند. این ویژگی دستگاه های فیلد را قادر می­سازد که به سادگی نصب و راه­اندازی شوند یا داده ها را خوانده و ذخیره سازند، که در تمام موارد ذکر شده به دستگاه­های فیلد که مبتنی بر ریزپردازنده باشند احتیاج داریم.

این پروتکل در بسیاری از کاربردهای صنعتی با موفقیت  مورد استفاده  قرار گرفت. این پروتکل امکان برقراری ارتباط دو طرفه را  حتی در مناطق خطرناک و مستعد خطر یا Hazardous area فراهم می سازد. پروتکل  HART امکان استفاده از دو Master را فراهم مینماید:

یکی کنسول یا ایستگاه مهندسی موجود در اتاق کنترل و دیگری دستگاهی برای اجرای عملیات در سایت، مثلا یک  لب تاپ یا یک  ترمینال دستی.

از دیگر مزایای پروتکل HART می توان به  موارد زیر اشاره نمود:

در عمل امتحان خود را پس داده است.

طرح  پروتکل و طراحی ان ساده است.

تعمیر و نگهداری ان ساده است.\

 با تجهیزات ابزار دقیق انالوگ متداول سازگار است.

ارتباطات همزمان آنالوگ و دیجیتال را فراهم می­سازد.

امکان اتصال بصورت مالتی دراپ (چند نقطه) را ایجاد می­کند.

امکان دسترسی به اطلاعات از طریق دو Master فراهم می­گردد.

دستگاه­های فیلد چند متغیره را  پشتیبانی می­کند.

دارای پاسخ زمانی مناسب تقریبا 500ms  می­باشد.

پروتکل HART یک پروتکل ارتباطی است که بین دستگاه Master  و فیلد ارتباط برقرار می­کند.

دستگاه های متصل شونده توسط HART :

دستگاه ها و تجهیزاتی که پروتکل HART را پشتیبانی می کنند به دو دسته  تقسیم  می شوند:

دستگاه های master

دستگاه های Slave

دستگاه های Master شامل ترمینال های دستی و ترمینال های مبتنی بر PC در اتاق کنترل می باشند.

دستگاه های Slave شامل سنسورها ، ترانسمیتر ها و محرک های مختلف می باشند.  داده های HART توسط یک مودم FSK بر روی سیگنال های 4-20 mA سوار می شوند. این امر تجهیز را قادر می سازد که بطور دیجیتالی و با استفاده از پروتکل HARTبه برقراری ارتباط بپردازد، در حالیکه در همان زمان انتقال سیگنال انالوگ نیز در حال انجام است. به عبارت دیگر با استفاده از پروتکل HART می توان سیگنال دیجیتال و انالوگ را به طور همزمان ارسال و دریافت کنیم. دستگاه های فیلد و ترمینال های دستی دارای یک مودم FSK می باشند. در حالیکه PC  ها دارای یک واسطه سریال جهت اتصال به مودم داخلی می باشند. ارتباطات از طریق HART بطور معمول برای چنین اتصالات نقطه به نقطه  ای مورد استفاده قرار می گیرد.

پروتکل ارتباطي HART  براساس استاندارد ارتباطي تلفن Bell 202 بنا نهاده  شده است  و با استفاده از اصول FSK کار مي‌کند.

سيگنال ديجيتالي HART  ، از دو فرکانس 1200 هرتز و 2200 هرتز که به ترتيب نمايندگي بيت‌هاي ۱ و ۰ را دارند استفاده مي‌کند. امواج سينوسي اين دو فرکانس بر روي جريان مستقيم (DC) سيگنال آنالوگ موجود در کابل سوار مي‌شوند تا همزمان ارتباط آنالوگ و ديجيتال را برقرار کنند .چون مقدار ميانگين سيگنال FSK هميشه صفر است، تأثيري بر سيگنال آنالوگ 4 تا 20 ميلي‌آمپري نمي گذارد.

پروتکل HART می‌تواند چندین تجهیز را با استفاده از یک زوج سیم پشتیبانی نماید. زمانی که از این ویژگی پروتکل HART استفاده می‌شود انتقال اطلاعات بصورت آنالوگ مقدور نخواهد بود.

نرخ ارسال پیامها در مدل Request/Reply  ارتباطات دیجیتال  معمولا کمتر از دو پیام در ثانیه برای کلیه تجهیزات یک باس می‌باشد. در عمل همین محدودیت باعث کاهش سرعت و عدم استفاده از این ویژگی پروتکل HART در سیستم‌های جمع آوری اطلاعات (Data-Acquisition) می‌گردد.

بیشتر سیستم‌های مرکزی به صورتی طراحی نشده‌اند که بتوانند اطلاعات تجهیزات را بصورت دیجیتال دریافت نمایند. یک راه حل برای رفع این مشکل، استفاده از مالتی پلکسر‌های بیرونی برای خواندن سیگنال‌های دیجیتال تجهیزات و استخراج نمودن اطلاعات از سیگنال‌های دیجیتال برای عملیات پردازش سیستم کنترلی می‌باشد.

یکی دیگر از مزایای این روش استفاده از چندین Slave یه طور همزمان است به طوری که مالتی‌پلکسر  میان آن‌‌ها سوئیچ می‌کند.

در این شیوه، تجهیزات HART  به هر دوی سیستم کنترلی و  مالتی‌پلکسرها وصل خواهند شد. برای کاهش سیم بندی و همچنین هزینه، معمولا مالتی‌پلکسر‌ها در کابینت‌های سیستم کنترل نصب و به ترمینال‌های ورودی و خروجی سیستم وصل خواهند شد و کافی است تجهیزات به مالتی‌پلکسر‌ها وصل گردند.

اگرچه این راه حل باعث افزایش قیمت نصب تجهیزات نصب HART خواهد شد ولی کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری باعث بازپرداخت هزینه‌ها در مدت زمان کوتاهی خواهد شد.

در شکل زیر استفاده از مالتی پلکسر نشان داده شده است. این پیکربندی تعداد بیشتری از دستگاه های فیلد را پشتیبانی می کند. به عبارت دیگر این امکان را فراهم می کند که تعداد بیشتری از دستگاه های  HART به شبکه متصل شود.

کاربر با استفاده از برنامه عامل حلقه جریان ویژه ای را برای ارتباط در نظر می گیرد. در مدتی که ارتباط در حال انجام است، مالتی پلکسر حلقه جریانی را به Host  یا Master  متصل می کند. به واسطه ساختار Cascade مالتی پلکسر، Master می تواند با تعداد بسیار زیادی دستگاه (بیش از 1000 دستگاه ) ارتباط بر قرار سازد که همگی دارای آدرس صفر می­باشند.

مالتی دراپ (Multidrop)

پروتکل HART در اصل برای ترانسمیترها طراحی شد و مالتی دارپ ها نیز به همین منظور توسعه یافتند. در عملکرد مالتی دراپ ، دستگاه ها داده هایشان و مقادیر اندازه گیری شده را تنها توسط پروتکل HART تبادل می کنند. جریان آنالوگ تنها جهت برقدار کردن یا Energize کردن دستگاه های دوسیمه استفاده می شود که یک جریان مستقیم  4mA را فراهم می­کنند.

Busبرای عملکرد split-range:

کاربردهای ویژه­ای وجود دارد که در آن­ها نیاز است که چندین محرک (actuator) یک سیگنال کنترل را دریافت دارند. یک مثال از چنین کاربردهایی split-range کردن کنترل ولوها می­باشد. یک ولو در محدوده جریان نامی بین 4-12 mA و دیگری بین 12-20 mA عمل می­کند.

در عملکرد split-range، کنترل ولوها به صورت سری در حلقه جریانی قرار می­گیرند. هنگامی که هر دو کنترل ولوها به یک واسط HART مجهزند ابزار Master باید قادر به تشخیص این نکته باشد که کدام ولو بایستی ارتباط برقرار سازد.

واسط دستگاه­های فیلد (Field device interface)

 دستگاه های مبتنی بر ارتباطات HART نیازمند یک واسط ارتباطی مناسب می باشند . همانطوری که قبلا ذکر شد دستگاه های مبتنی بر HART دارای مودم FSK یکپارچه می باشند. واسط دستگاه های فیلد معمولا دارای قطعات و وظایف زیر است:

سیگنال جریانی آنالوگ توسط یک مبدل AD به یک ریز پردازنده که مسئول وظایفی نظیر کنترل موقعیت می باشد اعمال می­گردد.

مودم FSK سیگنال وارد شده HART را به ریز پردازنده دیگری که مسئول محاسبه داده­های ارتباطی است تحویل می دهد.

مودم FSK سیگنال HART را که بایستی بر جریان 4-20mA  سوار گردد، سوار می­کند.

هر دو ریز پردازنده فوق الذکر داده های تبادل شده را دریافت یا ارسال می­کنند.

معمولا بلوکی وجود دارد که موقعیت ولو را حس کرده و فشار نیوماتیک در محرک به همان صورتی که توسط کنترل کننده درخواست شده است تنظیم می نماید.

کابل کشی

کابل کشی HART در سطح کارخانه بصورت کابل های زوج بهم تابیده می باشد. چناچه کابل های خیلی نازک یا خیلی طویل مورد استفاده قرار گیرند مقاومت کابل افزایش یافته و در نتیجه بار کلی افزایش می­یابد. پس تضعیف سیگنال و اعوجاج آن افزایش یافته در حالیکه فرکانس بحرانی شبکه ارسال کاهش می­یابد. بنابراین برای ارسال بدون مشکل، کابل ها بایستی سطح مقطع کافی و طول مناسب داشته باشند. چنانچه سیگنال های تداخلی نیز موجود باشد خطوط طولانی بایستی شیلد شوند. حلقه سیگنال و شیلد کابل بایستی در یک  نقطه مناسب زمین شوند.

برای مسافت کوتاه : دوسیمه  0.2 بدون شیلد

برای مسافت تا 1500 متر : دو سیمه  0.2 شیلد دار

برای مسافت تا 3000 متر : دوسیمه  0.5 شیلد دار

کانکتورها

از جمله مزایای HART این است که می­توانند از سیم­های موجود استفاده نمایند. بنابراین استاندارد HART استفاده از هیچ نوع ویژه­ای از کانکتورها را توصیه نمی­کند. از آنجایی­که پولاریته (قطب مثبت و منفی) تأثیری بر روی ازریابی و عملکرد HART ندارد سیگنال­های HART بطور ساده توسط گیره­های ساده منتقل می­شوند.

بعضی از سیستم‌های کنترل قادرند اطلاعات دیجیتال HART را استخراج نموده و جهت استفاده دیگر برنامه‌های کاربردی همچون نرم‌افزار مدیریت اطلاعات ارسال نمایند. این طرز عمل Pass through  نامیده می‌شود.

رشته بیت‌های دیجیتالHART  بوسیله ورودی و خروجی ‌های سیستم کنترل مرکزی استخراج و از طریق معماری آن به پایگاه‌ها و یا سایر نرم‌افزار‌های کاربردی پاس داده می‌شود  تا آنها بتوانند از این داده-های دیجیتال استفاده کنند.

سیستم‌های کنترل مرکزی که از سیستم Pass through  استفاده می‌کنند هزینه‌های جمع آوری و استفاده از سیگنال‌های دیجیتال HART را با توجه به به عدم نیاز به مالتی پلکسرهای جداگانه کاهش می‌دهد.

مشخصات هارت اکنون بگونه ای توسعه می يابد که حوزه کاربردهای هارت را وسيع تر کند. اخيراً زبان توصيف ابزار (DDL: Device Description Language) يک ارتباط نرم افزاري عمومی بين ابزارهای جديد و ابزارهای موجود ايجاد کرده است. هارت در اوايل سال 1980 بوسيله گروه روزمونت (Rosemount) ايجاد شد و بعدها روزمونت آنرا بصورت يک استاندارد باز در آورد. امروزه بعنوان يك سازمان با نام اختصاري HCF (HCF: HART Communication Foundation) گسترش يافته که شامل حدوداً 120 شرکت عضو می باشد.

wirelessHART

یکی از پیشرفت های مهیج ابزار دقیق صنعتی استاندارد ارتباط رادیویی wirelessHART می باشد که بطور خاص برای دستگاه هایی که در فیلد استفاده می شوند (مثل ترانسمیترها، پوزیشنر ولوها و غیره) طراحی شده است. wirelessHART زیرمجموعه ای از استاندارد ارتباطی دستگاه های صنعتی HART میباشد که به عنوان ورژن 7 شناخته می شود. در این استاندارد ارتباط همه ی دستگاه ها به صورت انفرادی با یک دستگاه Gateway مشترک ارتباط برقرار می کنند. دستگاه Gateway در واقع به عنوان رابط بین شبکه بی سیمی یا یک سیستم کنترل میزبان عمل می کند. علاوه بر این، دستگاه های wirelessHART نیز بین یکدیگر خطوط ارتباطی تشکیل می دهند، بطوری که مسیرهای داده ی شبکه به یک تور (Mesh)  شباهت داشته که همه گره های (Nodes) نزدیک علاوه بر اتصال با Gateway به یکدیگر متصل می باشند.

در هنگام طرح ریزی یک شبکه wirelessHART عمر باتری یکی از ملاحظات مهم می باشد که باید مورد توجه قرار گیرد.

باتری های لیتیوم رایج چندین سال عمر کرده و در دستگاه های wirelessHART به عنوان منبع توان اولیه به کار می روند.  جالب توجه است که مقدار انرژی مورد نیاز یک دستگاه wirelessHART برای مخابره اطلاعات بسیار کمتر از انرژی مورد نیاز برای وظایف اصلی دستگاه ( اندازه گیری فشار، اندازه گیری دما و .. ) می باشد. درواقع عمکرد تکرارکننده رادیویی دستگاه های wirelessHART بار کمتری را به باتری می افزاید.

هارت بعنوان استاندارد مخابره اطلاعات در ابزار دقيق اسمارت آنالوگ فيلد در کاربردهايی از لوله های نفت و گاز تا صنايع کاغذ سازی و کاربردهای عمومی ديگر مورد استفاده قرار می گيرد. تعدادی از محصولات هارت به ترتيب زير هستند:

ترانسميترهای آنالوگ فرآيند

ترانسميترهای فقط ديجيتال فرآيند

ترانسميترهای چند متغيره فرآيند

گيرنده های فرآيند (در ولوها)

کنترل های محلی (فيلد)

مبدلهای هارت به آنالوگ

مودمها، واسطه ها، دروازه ها

حاملهاي IS (Intrinsic Safety Barriers) سازگار با هارت

ايزولاتورهای سازگار با هارت

کاليبراتورها

بسته های نرم افزاری    

• قالب وبلاگ

• 
•