آشنایی با پروتکل های خروجی HART، Profibus و 4-20mA در ترانسمیترهای دما

تفاوت HART و Profibus و 4-20mA در نوع انتقال اطلاعات است.

• 4-20mA یک سیگنال آنالوگ برای انتقال مقدار اندازه گیری شده است
• HART اطلاعات دیجیتال را روی همین سیگنال آنالوگ قرار می دهد
• Profibus یک شبکه دیجیتال مستقل است.

بنابراین HART مکمل 4-20mA است، اما Profibus معماری ارتباطی متفاوتی دارد.

انتخاب خروجی ترانسمیتر دما فقط یک تصمیم مربوط به خرید تجهیز نیست.

این انتخاب روی کارت ورودی، کابل کشی، عیب یابی، توسعه شبکه و حتی روش راه اندازی پروژه اثر می گذارد. فرض کنید در یک خط فرایندی چندین نقطه اندازه گیری دما وجود دارد و تجهیزات باید از اتاق کنترل پیکربندی و عیب یابی شوند.

انتخاب 4-20mA ساده ممکن است نیازهای اصلی اندازه گیری را پوشش دهد، اما برای دسترسی به اطلاعات تشخیصی باید روش دیگری در نظر گرفته شود.

در یک پروژه دیگر، استفاده از Profibus برای نقاطی که فقط یک متغیر دما را به صورت ساده به سیستم کنترل ارسال می کنند، می تواند معماری را پیچیده تر از نیاز واقعی کند.

در مقابل، اگر همان پروژه به شبکه دیجیتال و کنترل غیرمتمرکز در سطح میدان نیاز داشته باشد، انتخاب یک خروجی صرفا آنالوگ می تواند محدودیت ایجاد کند. بنابراین انتخاب درست باید از نیاز واقعی پروژه شروع شود، نه از نام پروتکل.

سیگنال 4-20mA؛ زبان مشترک صنعت ابزار دقیق

سیگنال 4-20mA یکی از رایج ترین روش های انتقال مقدار اندازه گیری شده در سیستم های ابزار دقیق است.

در این روش، مقدار جریان در حلقه متناسب با مقدار اندازه گیری شده تغییر می کند.

مزیت اصلی این روش، سادگی و سازگاری گسترده با تجهیزات کنترل صنعتی است. یک ترانسمیتر می تواند مقدار دما را به جریان تبدیل کند و کارت ورودی سیستم کنترل همین جریان را به مقدار مهندسی مورد نیاز تبدیل کند.

دلیل ماندگاری 4-20mA این است که زیرساخت آن در بسیاری از پروژه های صنعتی شناخته شده و قابل استفاده است. نصب، عیب یابی و تست آن نیز برای تکنسین های ابزار دقیق روش مشخصی دارد.

در سیستم های دو سیمه، ترانسمیتر می تواند انرژی مورد نیاز خود را از همان حلقه دریافت کند. این ساختار باعث می شود کابل کشی برای یک نقطه اندازه گیری ساده باشد.

محدودیت مهم 4-20mA این است که در حالت پایه فقط یک متغیر اندازه گیری را به صورت آنالوگ منتقل می کند. همچنین خود سیگنال آنالوگ اطلاعات تشخیصی دیجیتال گسترده ای درباره وضعیت ترانسمیتر در اختیار سیستم کنترل قرار نمی دهد.

اگر هدف شما شناخت ساختار و عملکرد خود تجهیز قبل از انتخاب خروجی است، مطالعه مقاله ترانسمیتر دما چیست می تواند تصویر کامل تری از ورودی، پردازش و خروجی ترانسمیتر ارائه دهد.

پروتکل HART؛ هوش روی همان دو سیم

HART یک پروتکل ارتباطی دیجیتال است که برای اضافه کردن اطلاعات دیجیتال به حلقه 4-20mA طراحی شده است.

نکته اصلی این است که HART جایگزین 4-20mA نیست.

در حالت معمول، مقدار اصلی فرایند همچنان با جریان 4-20mA منتقل می شود.

اطلاعات دیجیتال HART به صورت سیگنال FSK روی همان مسیر قرار می گیرد و می تواند اطلاعاتی مانند پیکربندی، وضعیت تجهیز و داده های تشخیصی را منتقل کند.

سرعت HART برابر با ۱۲۰۰ بیت بر ثانیه است. این ارتباط بر پایه فرکانس های ۱۲۰۰ و ۲۲۰۰ هرتز و استاندارد Bell ۲۰۲ انجام می شود.

مزیت مهم این ساختار، امکان استفاده از قابلیت های دیجیتال بدون کنار گذاشتن زیرساخت آنالوگ موجود است.

در بسیاری از پروژه ها می توان از همان کابل کشی 4-20mA استفاده کرد و دسترسی بیشتری به اطلاعات ترانسمیتر داشت.

HART دو روش اصلی ارتباط دارد:

• در حالت نقطه به نقطه، یک ترانسمیتر با سیستم کنترل یا تجهیز ارتباطی در ارتباط است.
• در حالت مولتی دراپ، چند دستگاه روی یک مسیر ارتباطی قرار می گیرند.

طبق مشخصات رسمی، مسافت HART حداقل تا هزار و پانصد متر تضمین شده است. با کابل شیلددار مناسب، این مسافت در عمل تا سه هزار متر هم ممکن است.

در حالت مولتی دراپ استاندارد HART۵، حداکثر پانزده دستگاه قابل استفاده است.

در HART۷ با آدرس دهی توسعه یافته، امکان استفاده از حداکثر شصت و سه دستگاه وجود دارد.

محدودیت اصلی HART در مقایسه با شبکه هایی مانند Profibus، سرعت پایین تر و ظرفیت محدودتر آن در حالت مولتی دراپ است.

با این حال، برای اندازه گیری های معمول فشار، دما و فلو، ترکیب 4-20mA و HART در بسیاری از پروژه ها انتخاب کاربردی است.

تفاوت HART۵ و HART۷ در تعداد دستگاه قابل اتصال

دلیل دیده شدن دو عدد پانزده و شصت و سه در منابع مختلف، تفاوت ظرفیت آدرس دهی نسخه های HART است.

در HART۵، حالت مولتی دراپ استاندارد حداکثر پانزده دستگاه را پوشش می دهد.

در HART۷، آدرس دهی توسعه یافته امکان افزایش تعداد دستگاه ها تا شصت و سه دستگاه را فراهم می کند.

بنابراین این دو عدد متناقض نیستند. هنگام طراحی یک شبکه، باید نسخه HART تجهیز و روش آدرس دهی پشتیبانی شده توسط تجهیزات را بررسی کرد.

پروتکل Profibus؛ شبکه کامل ارتباطی صنعتی

Profibus با HART تفاوت بنیادی دارد.

HART یک لایه دیجیتال مکمل برای سیگنال 4-20mA است، اما Profibus یک شبکه ارتباطی کاملا دیجیتال است.

در Profibus، اطلاعات تجهیزات از طریق ساختار شبکه منتقل می شود و معماری ارتباطی آن برای ارتباط چند تجهیز با سیستم کنترل طراحی شده است.

در خانواده Profibus دو ساختار مهم برای کاربردهای صنعتی دیده می شود:

• Profibus DP
• Profibus PA

این دو از نظر لایه فیزیکی یکسان نیستند و نباید آنها را صرفا دو سرعت مختلف از یک روش سیم کشی در نظر گرفت.

Profibus DP چیست؟

Profibus DP بیشتر برای اتوماسیون کارخانه و ارتباطات سریع I/O استفاده می شود. سرعت آن از ۹.۶ کیلوبیت بر ثانیه تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه قابل تنظیم است.

حداکثر مسافت به نرخ انتقال وابسته است.

در سرعت ۱۲ مگابیت بر ثانیه این مقدار صد متر است و در سرعت پایین می تواند تا هزار و دویست متر باشد.

در یک سگمنت، بدون تکرارکننده، سی و دو دستگاه قابل استفاده است. با استفاده از تکرارکننده، تعداد دستگاه ها می تواند تا صد و بیست و شش دستگاه افزایش پیدا کند.

توپولوژی معمول Profibus DP، باس خطی است.

این ساختار برای سیستم هایی مناسب است که سرعت ارتباط و تبادل داده بین کنترلر و تجهیزات اهمیت دارد.

Profibus PA چیست

Profibus PA برای فرایندهای صنعتی طراحی شده است؛ به ویژه جاهایی که تجهیزات اندازه گیری و ابزار دقیق در سطح میدان قرار دارند.

• سرعت Profibus PA ثابت و برابر با ۳۱.۲۵ کیلوبیت بر ثانیه است.

این سرعت برای نیازهای معمول تجهیزات فرایندی انتخاب شده و ساختار فیزیکی آن برای شرایط کاربردی این حوزه طراحی شده است.

حداکثر مسافت Profibus PA در هر سگمنت تا هزار و نهصد متر است. با کوپلر توسعه یافته این مقدار می تواند تا سه هزار متر برسد.

تعداد دستگاه ها در هر سگمنت می تواند تا سی و دو دستگاه باشد.

یکی از کاربردهای مهم Profibus PA، استفاده در مناطق خطرناک با نیاز به ایمنی ذاتی است.

در این شرایط، طراحی سیستم باید بر اساس الزامات ایمنی ذاتی و تجهیزات دارای تاییدیه مناسب انجام شود.

نکته مهم در نصب این است که Profibus PA و Profibus DP دو لایه فیزیکی کاملا متفاوت دارند. این دو را نمی توان مستقیما به یکدیگر وصل کرد. برای ارتباط آنها به کوپلر یا لینک DP/PA نیاز است.

این موضوع یکی از خطاهای رایج در طراحی و نصب شبکه های ابزار دقیق است. صرف شباهت نام Profibus به این معنی نیست که هر تجهیز PA را می توان مستقیما به شبکه DP متصل کرد.

جدول مقایسه فنی کامل

در یک جمع بندی ساده، 4-20mA برای سیستم های ساده و سازگار با زیرساخت آنالوگ مناسب است. HART زمانی ارزش بیشتری پیدا می کند که علاوه بر سیگنال آنالوگ، اطلاعات دیجیتال و عیب یابی از راه دور لازم باشد. Profibus PA و DP زمانی مطرح می شوند که معماری شبکه دیجیتال و ارتباط چند تجهیز اهمیت داشته باشد.

کدام پروتکل را برای پروژه خود انتخاب کنیم؟

انتخاب پروتکل باید بر اساس معماری کنترل، سطح اطلاعات مورد نیاز و شرایط نصب انجام شود. چند سناریوی عملی را می توان این طور تفکیک کرد:

پروژه ساده با بودجه محدود و بدون نیاز به عیب یابی از راه دور

اگر فقط مقدار دما باید به کارت ورودی منتقل شود و نیازی به اطلاعات تشخیصی دیجیتال وجود ندارد، 4-20mA انتخاب ساده و قابل فهمی است.

نیاز به پیکربندی و تشخیص خطای از راه دور بدون تغییر زیرساخت موجود

در این شرایط HART گزینه مناسبی است. مزیت اصلی این است که اطلاعات دیجیتال روی همان مسیر 4-20mA قرار می گیرد و لازم نیست معماری آنالوگ موجود به طور کامل کنار گذاشته شود.

پروژه بزرگ با تعداد بالای تجهیزات و نیاز به کنترل غیرمتمرکز

اگر پروژه به ارتباط شبکه ای میان تجهیزات و سیستم کنترل نیاز دارد، Profibus می تواند مناسب تر باشد. انتخاب دقیق بین PA و DP به نوع تجهیزات و معماری کنترل بستگی دارد.

منطقه خطرناک با نیاز به ایمنی ذاتی

در این شرایط Profibus PA می تواند گزینه مورد بررسی باشد، زیرا برای کاربردهای فرایندی و شرایطی که ایمنی ذاتی اهمیت دارد طراحی شده است. البته تجهیز، کوپلر، روش نصب و تاییدیه های مورد نیاز باید با الزامات پروژه مطابقت داشته باشند.

پروژه ای که فقط بخش کوچکی از آن نیاز به کنترل پیچیده میدانی دارد

لازم نیست تمام نقاط اندازه گیری یک کارخانه با یک معماری شبکه ای پیچیده اجرا شوند. می توان برای اندازه گیری های ساده از HART استفاده کرد و Profibus را برای بخش هایی اختصاص داد که کنترل و ارتباط در سطح میدان اهمیت بیشتری دارد.

برای مثال، در یک واحد فرایندی ممکن است بیشتر نقاط دما، فشار و فلو فقط به اندازه گیری و انتقال مقدار نیاز داشته باشند. در چنین نقاطی HART می تواند انتخاب عملی باشد. اما در یک بخش مانند راکتورهای batch یا سیستم های بلندینگ که نیاز به کنترل پیچیده در سطح میدان وجود دارد، استفاده از Profibus می تواند توجیه فنی بیشتری داشته باشد.

در نهایت، دو سوال کلیدی بپرسید: آیا فقط مقدار اندازه گیری شده را می خواهید یا اطلاعات دیجیتال و شبکه نیز لازم است؟ و آیا زیرساخت موجود 4-20mA است یا پروژه از ابتدا بر اساس شبکه دیجیتال طراحی می شود؟

اشتباهات رایج در انتخاب و پیاده سازی این پروتکل ها

اشتباه در نظر گرفتن HART به عنوان جایگزین 4-20mA

HART جایگزین سیگنال آنالوگ نیست. در معماری معمول، HART اطلاعات دیجیتال را روی همان سیگنال 4-20mA قرار می دهد.

اتصال مستقیم Profibus PA به کارت ورودی آنالوگ ساده

Profibus PA یک شبکه دیجیتال است و نمی توان آن را مانند یک حلقه 4-20mA مستقیما به کارت ورودی آنالوگ متصل کرد. معماری سیستم باید متناسب با پروتکل طراحی شود.

اشتباه گرفتن Profibus PA و DP با یکدیگر

PA و DP دو لایه فیزیکی متفاوت دارند. برای ارتباط آنها به کوپلر یا لینک DP/PA نیاز است.

نادیده گرفتن محدودیت تعداد دستگاه در HART

در طراحی مولتی دراپ باید نسخه HART و ظرفیت آدرس دهی آن بررسی شود. عدد پانزده مربوط به HART۵ و عدد شصت و سه مربوط به آدرس دهی توسعه یافته در HART۷ است.

انتخاب Profibus برای یک اندازه گیری ساده

اگر یک ترانسمیتر فقط باید یک مقدار دما را منتقل کند و نیاز خاصی به شبکه دیجیتال وجود ندارد، استفاده از یک معماری شبکه ای ممکن است پیچیدگی غیرضروری ایجاد کند.

نادیده گرفتن الزامات ایمنی ذاتی

در مناطق خطرناک، انتخاب صرف یک پروتکل کافی نیست. تجهیزات و روش نصب باید با الزامات ایمنی ذاتی و تاییدیه های مورد نیاز پروژه سازگار باشند.

نادیده گرفتن توپولوژی شبکه

تعداد تجهیزات و فاصله آنها باید با توپولوژی انتخاب شده هماهنگ باشد. استفاده از یک پروتکل بدون بررسی ساختار باس و سگمنت می تواند در زمان راه اندازی مشکل ایجاد کند.

انتخاب پروتکل فقط بر اساس سرعت

سرعت تنها یکی از معیارهای انتخاب است. برای یک ترانسمیتر دمای فرایندی، سازگاری با کارت ورودی، نیاز به تشخیص خطا، شرایط منطقه و معماری کنترل نیز اهمیت دارد.

سوالات متداول

1.آیا سیگنال HART با سیستم های آنالوگ قدیمی سازگار است؟

بله، مزیت اصلی HART این است که اطلاعات دیجیتال را روی سیگنال 4-20mA قرار می دهد. بنابراین در معماری مناسب، می توان از زیرساخت آنالوگ موجود استفاده کرد.

2.تفاوت اصلی Profibus DP و PA چیست؟

DP برای اتوماسیون کارخانه و I/O سریع طراحی شده و سرعت آن از ۹.۶ کیلوبیت بر ثانیه تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه قابل تنظیم است. PA برای ابزار دقیق فرایندی طراحی شده و سرعت آن ثابت و برابر با ۳۱.۲۵ کیلوبیت بر ثانیه است.

3.آیا می توان روی یک ترانسمیتر همزمان از HART و Profibus استفاده کرد؟

این موضوع به مدل ترانسمیتر بستگی دارد. HART و Profibus دو معماری ارتباطی متفاوت هستند و پشتیبانی همزمان آنها باید در مشخصات فنی همان تجهیز بررسی شود.

4.HART برای چه نوع صنایعی مناسب تر است؟

HART برای بسیاری از کاربردهای اندازه گیری صنعتی مانند دما، فشار و فلو مناسب است؛ به ویژه زمانی که علاوه بر سیگنال 4-20mA به پیکربندی و تشخیص خطای دیجیتال نیاز دارید.

5.چرا HART سرعت پایین تری نسبت به Profibus دارد؟

HART برای قرار گرفتن اطلاعات دیجیتال روی حلقه 4-20mA طراحی شده است. بنابراین هدف اصلی آن حفظ سازگاری با زیرساخت آنالوگ و اضافه کردن قابلیت دیجیتال بوده است، نه ایجاد یک شبکه پرسرعت.

6.چرا Profibus PA سرعت ثابت دارد اما DP سرعت متغیر؟

این دو برای کاربردهای متفاوت و با لایه های فیزیکی متفاوت طراحی شده اند. PA برای ابزار دقیق فرایندی و کاربردهای میدان طراحی شده، در حالی که DP برای ارتباطات سریع تر در اتوماسیون کارخانه کاربرد دارد.

7.آیا HART به کابل مخصوص نیاز دارد؟

در بسیاری از پروژه ها می توان از زیرساخت مناسب حلقه 4-20mA استفاده کرد، اما نوع کابل، طول مسیر، شرایط نصب و الزامات ارتباطی باید با مشخصات پروژه و تجهیز هماهنگ باشد.

8.چگونه بفهمیم ترانسمیتر ما از کدام پروتکل پشتیبانی می کند؟

باید مشخصات فنی، پلاک تجهیز، دفترچه راهنما و مدل دقیق ترانسمیتر بررسی شود. وجود عبارت HART یا Profibus در مشخصات خروجی به تنهایی کافی است و نباید فقط بر اساس ظاهر ترمینال ها تصمیم گرفت.

9.آیا تبدیل یک سیستم آنالوگ به HART نیاز به تعویض کامل سیم کشی دارد؟

در بسیاری از موارد هدف HART این است که قابلیت دیجیتال را روی همان زیرساخت 4-20mA اضافه کند. با این حال، سازگاری تجهیزات موجود، کارت ورودی، کابل و تجهیزات ارتباطی باید بررسی شود.

10.آیا Profibus PA و DP را می توان بدون تجهیز واسط به هم متصل کرد؟

خیر. این دو لایه فیزیکی متفاوت دارند و برای اتصال آنها به کوپلر یا لینک DP/PA نیاز است.

جمع بندی

انتخاب خروجی ترانسمیتر دما را می توان با دو معیار اصلی شروع کرد:

نوع اطلاعات مورد نیاز و معماری کنترل پروژه. اگر هدف فقط انتقال مقدار دما باشد، 4-20mA معماری ساده و شناخته شده ای ارائه می دهد. اگر همان زیرساخت آنالوگ را دارید اما به پیکربندی و تشخیص خطای دیجیتال نیاز دارید، HART انتخاب مناسبی است و جایگزین 4-20mA محسوب نمی شود. اگر پروژه به شبکه دیجیتال و ارتباط چند تجهیز در سطح میدان نیاز دارد، Profibus باید بررسی شود. در این حالت، PA برای ابزار دقیق فرایندی و شرایطی مانند مناطق خطرناک اهمیت بیشتری دارد و DP برای اتوماسیون کارخانه و I/O سریع کاربرد دارد. پیش از انتخاب نهایی، تعداد تجهیزات، فاصله، توپولوژی، شرایط منطقه و سازگاری کارت ورودی را بررسی کنید. سپس مدل های مختلف را بر اساس خروجی مورد نیاز مقایسه کنید.

برای بررسی گزینه های موجود می توانید به صفحه خرید ترانسمیتر دما مراجعه کنید.