SICUREZZA/SAFETY IL PROTOCOLLO HART PER L’AUTOMAZIONE DI PRO CESSO/ HART PROTOCOL FOR AUTOMATION A cura di G.M. International

IL PROTOCOLLO HART PER L’AUTOMAZIONE DI PROCESSO

Sviluppata a metà degli anni ’80 dall’azienda Rosemount, Hart (Highway Addressable Remote Transducer) è una tecnologia intelligente che supporta la trasmissione simultanea di segnali analogici e digitali sulla stessa coppia di fili.

A cura di G.M. International

Forte di una grande base installata in tutto il mondo e diffusissimo nella strumentazione di processo, Hart è un protocollo progettato per essere compatibile con i tradizionali canali analogici da 4 a 20 mA, sui quali aggiunge dei pacchetti digitali da 8 bit. La struttura di Hart permette di supportare una comunicazione digitale a due vie tra lo strumento di misura e i dispositivi di controllo. Le applicazioni che sfruttano questa tecnologia permettono l’interrogazione a distanza delle variabili di processo, l’accesso ciclico ai dati, la calibrazione, l’accesso ai parametri operativi e la diagnosi della strumentazione. I dispositivi con comunicazione di tipo Hart sovrappongono al segnale analogico un segnale elettrico con il quale possono essere, a seconda del costruttore e del sistema d’interfaccia, monitorati e programmati. Il protocollo Hart, pur definito aperto, non permette una completa comunicazione di tutti i parametri a disposizione con qualsiasi strumento, ma necessita la presenza dei driver per il dispositivo in questione. Con riferimento al modello ISO/OSI (Open Systems Interconnection), a livello fisico Hart si basa sullo standard Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying), con modulazione di corrente di 0,4 mA sovraimposta al segnale analogico 4..20 mA. A livello di data link, il master trasmette un comando Hart allo slave, che esegue l’azione richiesta per poi rispondere al master. A livello di applicazione, lo scambio di informazioni e il set di comandi tra un Master Hart e uno Slave Hart avviene tramite i cosiddetti Hart Commands.

Hart è uno standard di comunicazione sicuro, robusto e affidabile. Attraverso una semplice configurazione, è possibile ottenere e raccogliere una vasta gamma di nuovi dati di processo così da aumentare le capacità diagnostiche remote dell’impianto e di monitoraggio del singolo dispositivo, unitamente all’affidabilità del segnale e all’assenza di interferenze. Non in tutti i casi i tradizionali dispositivi Hart sfruttano totalmente le loro potenzialità, ma in quelli di nuova generazione (intelligenti e multivariabili) l’accesso ai dati è più facile. Inoltre consentono un sensibile miglioramento delle funzionalità di “Asset Management” & “Monitoring” del sistema, oltre a supportare una comunicazione efficiente con dispositivi remoti o inaccessibili. Ciò permette di semplificare le operazioni da remoto di configurazione, messa in servizio e integrazione (nei sistemi di controllo) dei dispositivi abbattendo i tempi di commissioning e set-up. Per integrare le misure fornite dai dispositivi Hart in un sistema di controllo è possibile implementare una connessione punto-a-punto del segnale 4..20 mA o una connessione tramite moduli I/O remoti o multiplexer Hart. In rare occasioni si può fare ricorso a una connessione di un multidrop Hart a un sistema I/O Hart. Il maggiore limite del protocollo è la bassa velocità di aggiornamento, pari circa a mezzo secondo per dispositivo.

L’integrazione delle informazioni

Il protocollo Hart rappresenta uno step intermedio nella transizione dalle comunicazioni analogiche a quelle digitali. Infatti, nella comunicazione Hart viene modulato un segnale in corrente alternata sovrapposto a un segnale in corrente continua 4-20 mA. Poiché il segnale di comunicazione è simmetrico e non influisce sulla portante 4-20 mA, i due segnali possono essere utilizzati simultaneamente. Sono così permesse operazioni di configurazione e diagnostica, mentre il dispositivo interessato funziona autonomamente nel loop di controllo. Un’applicazione tipica è infatti la comunicazione tra un sensore analogico intelligente e una centralina di monitoraggio. Mentre il sensore trasmette costantemente la sua misura analogica, la centralina può leggere e modificare tramite Hart le impostazioni locali del sensore, ad esempio il campo di misura, sovrapponendosi al segnale 4-20 mA e senza interferire con esso. Questo permette di mantenere il tradizionale cablaggio analogico (punto a punto o multidrop), tuttora enormemente diffuso, comunicando al contempo informazioni avanzate.

La tecnologia FDT/DTM

Nello standard FDT/DTM (Field Device Tool / Device Type Manager), ampiamente usato nell’automazione di processo, viene consentita l’integrazione di dispositivi di fornitori diversi. Il frame FDT è un’applicazione host o stand-alone, che comunica con i driver dei dispositivi mediante una serie di interfacce standardizzate. Tutti i dati sono scambiati tramite queste interfacce, compresi quelli generati all’interno di un’applicazione di progettazione, di gestione dei DTM o di configurazione del dispositivo. L’applicazione frame è anche aperta alla tecnologia di comunicazione Hart e ai dispositivi che la supportano.

WirelessHART

Da segnalare infine la versione senza fili. Promosso da Hart Communication Foundation (HCF), nel 2007 ha visto la luce WirelessHART, un protocollo di comunicazione per reti wireless rivolto ad applicazioni di automazione di processo. Basato sullo standard IEEE 802.15.4 e ISA SP100 esso aggiunge funzionalità wireless al protocollo HART mantenendo la piena compatibilità con strumenti e comandi HART esistenti. Le reti WirelessHART rappresentano soluzioni efficienti e moderne per il monitoraggio delle vibrazioni, i sistemi HMI (Human Machine Interface), le funzioni di SMS Messaging, I/O remoto, le conversioni di protocollo LAN, le misurazioni di idrocarburi, gas, carbone polverizzato, flussi idrici, oltre a interessare sensori di posizione per la robotica.

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Keywords: Hart, 4..20 mA, Automazione di Processo, Modello ISO/OSI, FTD/DTM. Wireless Hart

HART PROTOCOL FOR PROCESS AUTOMATION

Developed in the mid-1980s by Rosemount, Hart (Highway Addressable Remote Transducer) is an intelligent technology that supports the simultaneous transmission of analog and digital signals over the same pair of wires.

Edited by G.M. International

With a large base installed around the world and a wide range of process instrumentation, Hart is a protocol designed to be compatible with traditional 4 to 20 mA analog channels, to which it adds 8-bit digital packets. Hart’s structure supports two-way digital communication between the measuring instrument and control devices. Applications using this technology allow remote interrogation of process variables, cyclic data access, calibration, access to operating parameters and instrument diagnosis. Devices with Hart type communication overlap the analog signal with an electrical signal with which they can be monitored and programmed, depending on the manufacturer and interface system. The Hart protocol, although defined as open, does not allow complete communication of all available parameters with any instrument, but requires the presence of drivers for the device in question. With reference to the ISO/OSI (Open Systems Interconnection) model, at physical level Hart is based on the Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying) standard, with current modulation of 0.4 mA over-set to the 4..20 mA analog signal. At data link level, the master transmits a Hart command to the slave, which performs the required action and then replies to the master. At the application level, the exchange of information and command set between a Hart Master and a Hart Slave takes place via so-called Hart Commands. Benefits and applications Hart is a secure, robust and reliable communication standard. Through a simple configuration, a wide range of new process data can be obtained and collected to increase the remote plant diagnostic and monitoring capabilities of the individual device, together with signal reliability and absence of interference. Not in all cases traditional Hart devices fully exploit their potential, but in new generation devices (intelligent and multivariable) access to data is easier. They also allow a significant improvement in the “Asset Management” & “Monitoring” functionality of the system, as well as supporting efficient communication with remote or inaccessible devices. This simplifies remote configuration, commissioning and integration (into control systems) of devices by reducing commissioning and set-up times. To integrate the measurements provided by Hart devices into a control system, a 4..20 mA point-to-point signal connection or a connection via remote I/O modules or Hart multiplexers can be implemented. On rare occasions, a connection of a Hart multidrop to a Hart I/O system can be used. The biggest limit of the protocol is the low refresh rate of about half a second per device.

Integration of information The Hart protocol represents an intermediate step in the transition from analog to digital communications. In fact, in Hart communication, an alternating current signal superimposed on a 4-20 mA direct current signal is modulated. Because the communication signal is symmetrical and does not affect the 4-20 mA carrier, the two signals can be used simultaneously. Configuration and diagnostics are thus permitted, while the device concerned operates autonomously in the control loop. A typical application is communication between an intelligent analog sensor and a monitoring unit. While the sensor constantly transmits its analog measurement, the control unit can read and modify the local sensor settings, e.g. the measuring range, overlaying the 4-20 mA signal

and not interfering with it via Hart. This allows to maintain the traditional analog wiring (pointto-point or multidrop), which is still widely used, while communicating advanced information.

FDT/DTM technology

In the FDT/DTM (Field Device Tool / Device Type Manager) standard, which is widely used in process automation, the integration of devices from different suppliers is allowed. The FDT frame is a host or stand-alone application that communicates with device drivers via a series of standardized interfaces. All data is exchanged through these interfaces, including data generated within a design, DTM management or device configuration application. The frame application is also open to Hart communication technology and the devices that support it.

WirelessHART Finally, the wireless version is worth mentioning. Promoted by the Hart Communication Foundation (HCF), in 2007 saw the light of WirelessHART, a communication protocol for wireless networks aimed at process automation applications. Based on the IEEE 802.15.4 and ISA SP100 standard, it adds wireless functionality to the HART protocol while maintaining full compatibility with existing HART tools and commands. WirelessHART networks represent efficient and modern solutions for vibration monitoring, HMI (Human Machine Interface) systems, SMS Messaging, remote I/O, LAN protocol conversions, hydrocarbon, gas, pulverized coal, water flow measurements, as well as position sensors for robotics.

Keywords: Hart, 4..20 mA, Process Automation, ISO/OSI Model, FTD/DTM. Wireless Hart