Podstawy komunikacji HART i IIoT

W instalacji procesowej wyposażonej w aparaturę pomiarową 4–20 mA/HART nieoczekiwane sytuacje mogą szybko eskalować, jeśli zignoruje się znaczenie funkcji diagnostycznych. Poniższy przykład ilustruje typową sytuację związana z pracami konserwacyjnymi:

Wyobraźmy sobie dzień, w którym pada ulewny deszcz. Zespół wykonujący prace konserwacyjne przewiduje rutynowe czynności przy minimalnych nakładach pracy. Jednak jednocześnie pojawia się wiele problemów wymagających natychmiastowej uwagi. Zespół nagle staje przed krytycznym problemem związanym z pomiarem poziomu.

Operator zgłasza, że przetwornik poziomu przesyła zmienne odczyty, a proces przebiega bez wiarygodnych informacji o poziomie. Przetwornik znajduje się w odległym punkcie instalacji, daleko od miejsca wykonywanej konserwacji, a dostęp do niego wymaga poruszania się w niesprzyjających warunkach pogodowych.

Po dotarciu do urządzenia technik odkrywa, że lokalna konfiguracja jest niedostępna. Aby zdiagnozować problem, potrzebny jest komunikator obiektowy, ale jego bateria jest wyczerpana. Opóźnienie to zmusza technika do powrotu, naładowania komunikatora i ponownego sprawdzenia urządzenia. W tym czasie proces przebiega bez dokładnego pomiaru poziomu, a operatorzy nie są świadomi, że poziom jest zbyt wysoki.

Ostatecznie sygnalizator poziomu aktywuje się, wyłączając proces i zatrzymując produkcję. Chociaż system bezpieczeństwa działa zgodnie z ustawieniami, incydent ten uwidacznia istotną słabość: brak natychmiastowego dostępu do diagnostyki przedłuża proces rozwiązywania problemów i przyczynia się do niepotrzebnych przestojów – przykładowa historia.

Czy powyższy przykład wydaje się znajomy? Tego rodzaju problemy często można szybko rozwiązać, uzyskując dostęp do danych urządzenia bezpośrednio na obiekcie. Nawet jeśli urządzenia obiektowe wykorzystują sygnały analogowe 4–20 mA, większość z nich jest wyposażona w protokół komunikacyjny HART, który jednak w tym przypadku nie został wykorzystany.

Jak powszechnie wiadomo, HART nie jest nową technologią. Pomimo tego, że miliony urządzeń obsługujących protokół HART są zainstalowane w różnych gałęziach przemysłu na całym świecie, jego podstawy nadal nie są w pełni zrozumiałe dla wszystkich.

Skrót HART oznacza Highway Addressable Remote Transducer (zdalny przetwornik adresowalny przez sieć), a protokół ten został wprowadzony w połowie lat 80-tych. Początkowo był to protokół zastrzeżony, ale w 1986 roku stał się standardem otwartym.

HART to protokół hybrydowy, który nakłada sygnał cyfrowy na tradycyjny sygnał analogowy 4–20 mA — standard stosowany od dziesięcioleci i nadal powszechnie używany w wielu zakładach.

Z technicznego punktu widzenia protokół HART wykorzystuje standard Bell 202 i stosuje modulację częstotliwościową (FSK) przy prędkości 1200 bps. Dwie częstotliwości reprezentują wartości binarne: 1200 Hz dla „1” i 2200 Hz dla „0”. Takie podejście umożliwia komunikację między urządzeniami nadrzędnymi i podrzędnymi bez przerywania sygnału analogowego.

Urządzenia obiektowe obsługujące protokół HART zapewniają poziom danych diagnostycznych i operacyjnych porównywalny z urządzeniami w pełni cyfrowymi. Kluczowa różnica polega na sposobie uzyskiwania dostępu do tych danych. Urządzenia cyfrowe nieustannie przekazują informacje, niezależnie od tego, czy są one aktywnie wykorzystywane. Natomiast wiele urządzeń HART jest zamontowanych w różnych miejscach na obiekcie, a cenne dane nie mogą zostać z nich odczytane.

Wszystkie urządzenia korzystające z protokołu komunikacyjnego HART obsługują inteligentne zarządzanie urządzeniami (IDM), podobne do tego, które jest dostępne w PROFIBUS, FOUNDATION Fieldbus i innych technologiach cyfrowych. Chociaż HART oferuje tryb multi-drop do odczytu danych z wielu urządzeń, metoda ta jest powolna i dlatego nie jest powszechnie stosowana. Na szczęście istnieją alternatywne rozwiązania pozwalające na pozyskiwanie tych kluczowych informacji bez konieczności korzystania z konfiguracji multi-drop.

Jaka jest zatem rzeczywista różnica między urządzeniami HART a w pełni cyfrowymi urządzeniami fieldbus? Pod względem rodzaju i jakości informacji – takich jak stan urządzenia i diagnostyka – nie ma praktycznie żadnej różnicy. Jednak standardowa instalacja urządzeń HART oznacza zazwyczaj, że system sterowania odbiera tylko sygnał analogowy 4–20 mA, w przeciwieństwie do sieci cyfrowych, w których wszystkie dane urządzenia są stale dostępne.

Dobra wiadomość: nowoczesne rozwiązania, zarówno przewodowe, jak i bezprzewodowe, umożliwiają obecnie wydajny dostęp do danych HART i przekształcają je w użyteczne informacje – na przykład poprzez ekosystem IIoT, taki jak Netilion firmy Endress+Hauser.

Sytuacji takich jak wspomniany wcześniej przykładowy problem z przetwornikiem poziomu można często uniknąć, wykorzystując nowoczesne opcje łączności. Istnieją praktyczne sposoby pobierania danych IDM z urządzeń obiektowych obsługujących protokół HART bez konieczności ponoszenia znacznych nakładów inwestycyjnych lub wprowadzania rozległych modyfikacji w instalacji.

1. Integracja WirelessHART: technologia bezprzewodowa jest jedną z najprostszych metod gromadzenia danych z urządzeń. Dodając adapter WirelessHART do istniejących urządzeń obiektowych, można przesyłać dane do bramki WirelessHART. Bramkę tę, np. Fieldgate SWG70 firmy Endress+Hauser – można następnie podłączyć do urządzenia brzegowego, umożliwiając płynną integrację z platformami chmurowymi IIoT. Rozwiązania bezprzewodowe są już szeroko stosowane w różnych branżach i sprawdziły się w wielu zastosowaniach.

2. Bramki HART do integracji przewodowej W przypadku zakładów preferujących rozwiązania przewodowe bramki HART stanowią niezawodny sposób pozyskiwania danych z pętli 4–20 mA i łączenia ich z platformami IIoT, takimi jak Netilion. Chociaż takie podejście może wiązać się z nieco wyższą inwestycją początkową w porównaniu z rozwiązaniami bezprzewodowymi, zwrot z inwestycji jest zazwyczaj możliwy do osiągnięcia w ciągu kilku miesięcy. Przykładem jest Fieldgate SFG250, bramka HART oparta na sieci Ethernet, która zapewnia prostą i wydajną metodę uzyskiwania dostępu do danych urządzeń i integrowania ich z systemami chmurowymi. HART over Ethernet to jeden z najskuteczniejszych sposobów na odblokowanie cennych informacji bez zwiększania złożoności codziennych operacji.

Jak pokazują powyższe przykłady, technologia IIoT nie jest ani tak nieosiągalna ani tak skomplikowana, jak mogłoby się wydawać. Korzyści płynące z usług IIoT są oczywiste — wdrożenie ich w zakładzie może przynieść znaczące korzyści operacyjne.

Na przykład IIoT może zapewnić kompleksowy przegląd zainstalowanej bazy. Czy wiesz, że około 30% aktywów w wielu zakładach jest już przestarzałych? Dzięki usługom IIoT można łatwo rejestrować urządzenia ręcznie lub automatycznie za pośrednictwem urządzenia brzegowego, tworząc cyfrowego bliźniaka.

Po podłączeniu, usługi cyfrowe, takie jak Netilion Analytics, zapewniają przejrzyste informacje dzięki intuicyjnym pulpitom operatorskim i wykresom. Analizy te ujawniają kluczowe informacje, takie jak dostępność urządzeń i status cyklu życia, zmniejszając złożoność i usprawniając działania konserwacyjne.

Kolejnym skutecznym zastosowaniem IIoT w połączeniu z protokołem komunikacyjnym HART jest monitorowanie stanu urządzeń. Usługi cyfrowe, takie jak Netilion Health, dostarczają informacje diagnostyczne zarówno dla urządzeń Endress+Hauser, jak i urządzeń innych producentów.

Niezależnie od tego, czy korzystasz z połączenia przewodowego, czy bezprzewodowego WirelessHART, Twoja bramka może połączyć się z urządzeniem brzegowym, które bezpiecznie komunikuje się z chmurą. Umożliwia to dostęp do informacji o stanie urządzenia z dowolnego miejsca.

System wyświetla statusy urządzeń w oparciu o standardy NAMUR NE 107. W przypadku wystąpienia alertu diagnostycznego lub awarii można przejść do szczegółowych informacji, aby zidentyfikować przyczynę i podjąć działania naprawcze. Dostępne są również dane historyczne, pokazujące, kiedy i jak często zdarzały się zdarzenia, co daje jasny obraz wydajności zasobów w czasie.

Gdyby taki system monitorowania stanu był zainstalowany podczas opisanego wcześniej incydentu związanego z pomiarem poziomu, problem zostałby wykryty wcześniej, co pozwoliłoby zaoszczędzić czas, zapobiec nieplanowanym przestojom i obniżyć koszty.

Krótko mówiąc: IIoT sprawia, że zarządzanie instalacją jest prostsze, inteligentniejsze i bardziej wydajne.