ما بروتوكولُ HART؟

نظرة شاملة على مصطلح HART:

تدعم معظمُ الأجهزة الذَّكية في المصانع بروتوكولَ HART، وقد يحتاج المبتدئون في مجال الأتمتة الصناعيَّة إلى تذكيرٍ بهذه التَّقنية الفاعلة.
يُعدُّ بروتوكول HART -(اختصارًا لـ Highway Addressable Remote Transducer)- المعيارَ العالميَّ لإرسالِ المعلومات الرَّقْميَّة واستقبالِها، بوصلات خاصَّة بالإشارة التشابهية بين الأجهزة الذكية ونظام التحكُّم أو المراقبة أو أجهزة الاتِّصالات المحمُولة باليد.

يُعدُّ بروتوكول HART برتوكولَ اتِّصالٍ ثنائيِّ الاتجاهِ، إذ يؤمن وصولَ البيانات بين التجهيزات الذكية في المصانع والأنظمة المضيفة، مثلَ: (نظام التحكُّم الموزع DCS أو متحكّم منطقي مبرمج PLC أو جهاز اتِّصال محمول باليد). حيث يشملُ مصطلح المضيف ” host” أيّ تطبيقٍ بَرْمَجي، سواءٌ أمحمولًا باليد  كان الجهاز أم حاسوبًا محمولًا أم نظامَ تحكُّم في عمليات المعمل أم نظامَ إدارة الأصول أم نظامَ الأمان أم أيَّ نظامٍ أخرَ يستخدم منصات تحكُّم.

تقنية HART:

تُعدُّ هذه التقنيةُ سهلةَ الاستخدامِ وموثوقة جدًّا، وذلك حينَ تُستخدم لتشغيلِ الأجهزة الذكية ومعايرها، وتفحصِ النظام تفحصًا مستمرًا.

تُوجد عدَّةُ أسبابٍ لنستخدم مضيفًا يتَّصلُ بالأجهزة الذَّكية وهي:

• إعدادُ الجهاز أو إعادة تهيئتِه.
• فَحْصُ حالة الجهاز.
• كَشْف مشكلات الجهاز وإصلاحُها.
• قراءة مزيَّات القياسات الإضافية التي يعطيها الجهاز.
• حالة الجهاز.
• أسبابٌ أُخر…

تبين سنون النجاحِ -حيث برزت تلك الفوائدُ- سببَ اعتبار تقنية HART الأكثر انتشاراً بين جميع بروتوكولات الاتِّصالات، إذ إنَّها تُستخدم في أكثر من 30 مليونَ جهازٍ في العالم.

إنِ استخدمت الهاتفَ الأرضي يومًا ما ونظرت إلى رَقْم المتصل الظاهر لِتعلمَ مَن يتَّصل بك، فإذا أنت تفهم جزئيًا عمل هذا البروتوكول، -الذي يخبرنا هُوية المتصل؛ ففي شبكة التحكُّم الصناعي تمثل التجهيزات الذكية ذواتُ المعالج الصغري “اسم المتصل”، كما يسمحُ لهذه الأجهزة بإرسال بياناتٍ إلى المضيف وبالعكس.

ظهرَ البروتوكول في أواخر الثمانينات معتمداً على التقنية نفسِها التي استخدمت للحصول على هُوية المتصل في الهواتف التشابهيَّة ثم خضعت للتطوير المستمر حتَّى وصلت إلى مرحلةِ شحن منتجات الأتمتة الصناعية مزودةً بنظام اتِّصال HART  لاسلكيّ مدمج.

كيفية عمل بروتوكول HART:

يستخدم بروتوكولُ HART معيارَ Bell 202 الخاصَّ بتعديل الإزاحة التردديّ FSK وذلك لتركيبِ إشارات رَقْميَّة ذات مستوًى منخفض على الإشارات التشابهيّة 4 -20 ميلي أمبير.

 

تعديل الإزاحة التردديّة FSK:

يعتمد بروتوكولُ الاتِّصال HART على معيار الاتِّصالات Bell 202 ويعملُ على وَفق مبدأ تعديل FSK حيث تتكون الإشارة الرَّقْميَّة من ترددين: الأوَّلُ هو 1200 هيرتز والآخرُ 2200 هيرتز لتمثيل البتات واحدًا وصفرًا على التوالي علمًا أنَّه تتراكب الإشارة الجيبيَّة sin wave لهذه التَّرددات على كابلِ الإشارة التشابهيَّة ذي التَّيارِ المستمر DC  لتؤمن اتِّصالات متزامنة تشابهيَّة ورقْميَّة.

ومن الجديرِ ذكرُه أنَّ الإشارة التشابهيَّة 4-20 ميلي أمبير لا تتأثر بالإشارة الرَّقْميَّة؛ لأنَّ القيمةَ المتوسطة لإشارة FSK هي دائمًا الصفرُ.
يؤمن زمنُ استجابة الإشارة الرَّقْمية الحصولَ على 2 – 3 تحديثٍ للبيانات في الثانية دونَ مقاطعة الإشارة التشابهيَّة، كما نحتاج إلى مُمانعة حَلْقة بقيمة 230 أوم، لتحقيق الاتِّصال.

يسمح ذلك بالاتِّصال الثنائيِّ الجانب (إرسال واستقبال) ويتيح إمكانيةَ تبادل معلومات أخرى إلى جانب متغيرات العملية الأساسية للتجهيزات الذكية.
يعمل بروتوكولُ HART بمعدل 1200 بت في الثانية مِن دون مقاطعة إشارة 4-20 ملي أمبير التشابهيَّة كون الإشارةِ المعدلة تردديًّا FSK  مستمرةً بالطور، فلا تتداخل مع الإشارة التشابهيَّة.

تُعدُّ تقنية HART من بروتوكولات النَّمط السَّيد/ تابع (master\slave) الذي يعني أنَّ الجهازَ الذكيَّ slave يعملُ فقط بأمر من السَّيد، كما من المُمكن أن يعملَ البروتوكول بأنماطٍ أُخر، مثل: نمط POINT-TO-POINT ونمط MULTIDROP.

يحدث الاتِّصال حصرًا بين جهازين يدعمان بروتوكولَ HART وعادةً بين التجهيزات الذكية ونظام المراقبة أو التحكُّم في الأسلاك الخاصَّة بالتجهيزات وباتِّباع أسلوب التوصيل المعياريّ.

يؤمن البروتوكولُ قناتي اتِّصال متزامنتين: الإشارة التشابهيَّة والإشارة الرَّقْميَّة، حيث تُوصل الإشارة التشابهيَّة المُقاسة باستخدام دارة التَّيار 4-20 ملي أمبيرالذي يُعد المعيارَ الصناعيَّ الأسرعَ والأكثرَ صدقيَّة، في حين تصل معلوماتُ الجهاز الإضافية باستخدام الإشارة الرَّقْمية التي تكون متراكبةً على الإشارةِ التشابهيَّة.

تحتوي الإشارة الرَّقْميَّة على معلوماتٍ من الجهاز، كحالةِ الجهاز ونتائج فَحْص الجهاز وقيم وقياسات أخرى، إذاً تؤمن قناتا الاتَّصال حلاً منخفضَ التكلفة وموثوقًا سهلَ الاستخدامِ والإعداد.

 

 

شبكاتُHART:

يمكن توصيلُ أجهزة التي تعملُ على وَفق برتوكول HART وَفقَ نمط Point-to-Point أو نمط Multidrop

 

طوبولوجيا الشبكة نقطة إلى نقطة (point-to-point):

تُستخدم في هذا النمط الإشارةُ التشابهيَّة (4-20 ميلي أمبير) لنقلِ بياناتِ متغيِّرِ عملية واحدة، في حين أنَّ المتغيرات الإضافيَّة والمعاملات الخاصة بالتهيئة والإعداد وبيانات أخرى للتجهيزات -تُنقل رَقْميّاً باستخدام بروتوكول HART (كما هو موضحٌ في الشَّكل أدناه)، علماً أنَّ الإشارة التشابهية لا تتأثرُ بإشارةِ البروتوكول HART  وتُستخدم استخدامًا اعتياديًّا.

 

يتيحُ بروتوكولُ HART  إمكانيةَ استخدامِ ما يصلُ إلى جهازين من الأجهزة التي تعملُ كالسَّيد master (رئيس وفرعيّ)، ممَّا يسمح لأجهزة الـ master الفَرعيَّة- كأجهزة الاتِّصال المحمُولة -أن تُستخدم دونَ أن تتداخل في الاتصالات التي تَحدثُ من الجِهاز الرئيس، نحوُ: نظام المراقبة أو التَّحكُّم.

يسمحُ البروتوكول HART  بإجراء الاتِّصالات الرَّقْميَّة بالأجهزةِ الطرفية في نَمَطين من أنماطِ الشَّبكة: نمطِ Point-to-Point أو نمطِ Multidrop.

طوبولوجيا الشَّبكة Multidrop:

يُوجد أيضًا نمطٌ إضافيُّ الاتِّصال يُسمى «burst» حيث يبث جهازٌ تابعٌ وحيدٌ  رسائلَ   HART بشكل مستمر.

يتميز هذا النمطُ بمعدل إرسالٍ أعلى ويقتصر استخدامُه عادة مع طوبولوجيا «نقطة إلى نقطة».

يتطلب العملُ بنمط Multidrop زوجًا وحيدًا من الأسلاك وإنْ أمكن فمعداتُ أمانٍ (safety barriers)  ومزوِّدُ طاقةٍ مساعدٌّ إضافيٌّ لتغذيةِ ما يصل إلى أكثر من 15 جهازًا طرفيًّا، حيث إنَّ جميع قيم العملية تُنقل رَقْميًّا وممّا يجدر ذكرُه أنه في نمط  (Multidrop) تكون كافة العناوين (polling addresses) للأجهزة أكبرَ من الصِّفر، كما يثبّت التيار المارُّ بكلِّ جهازٍ على القيمة الدنيا ( 4 ملي أمبير).

أنماط الاتصال:

1- نمط السَّيد/ تابع (Master Slave):

يُعدُّ HART  بروتوكولَ اتصالٍ يعملُ  على وَفق مبدأـ سيد/ تابع؛ ويعني أنه في أثناءِ وضعِ التَّشغيل الاعتيادي يبدأ السيد الاتِّصالَ بالتِّابع، مع العلم أنه يُمكن لجهازين من نمطِ السَّيد الاتِّصالُ في شبكة HART واحدة، حيث يكون الجهاز السَّيد الرئيسprimary» master» هو نظامُ التحكُّم الموزع DCS  أو متحكّم منطقيّ قابل للبرمجة PLC أو حاسوب شخصيّ PC، في حين يُمكن أن يكون الجهازُ السيد الفرعيّ  جهازًا طرفيًّا محمولًا أو حاسوبًا شخصيًّا آخرَ، على حين  تتضمن أجهزةُ التابع Slaves المشغلاتِ والمرسلاتِ والمتحكّماتِ التي تستجيبُ لأوامرِ الجهاز السَّيد الأساسي أو الثانوي.

2-نمط الرَّشقة Burst:

تدعم بعضُ الأجهزة الخاصَّة بـHART نمطَ اتِّصال إضافيٍّ وهو نمط «Burst»؛ الذي يتيح اتِّصالًا أسرعَ (3-4 تحديثات للبيانات في الثانية)، وفي هذا النّمط يطلب الجهازُ السَّيد من التابع الاستمرارَ في بث رسائل HART (مثل قيمة متغيّر العملية)، ثم يتلقى الجهاز السّيد رسالةً بمعدل أعلى وتستمر العمليةُ إلى أن يُطلبَ من التابع التوقفُ عن رَشْق البيانات.

مواصفات الجهاز DEVICE DESCRIPTION:

تَستخدم بعضُ تطبيقاتِ مضيفِ HART مفهومَ مواصفات الجهاز «DD» للحصول على المعلوماتِ عن المتغيّرات والوظائف الموجودة في الجهاز الطَّرَفيِّ، حيثُ تتضمن المواصفات جميعَ المعلومات التي يحتاج إليها التطبيقُ المضيفُ لإتمامِ الاتِّصال بالجهازِ الطرفي.  من هنا، تُستخدم لغة توصيف الجهاز  ««DDL اختصاراً لـ Device» DescriptionLanguage» لكتابةِ المواصفات التي تجمع كلَّ المعلوماتِ المَطلوبة، من قبل التطبيق المضيف في ملف واحد منظَّمٍ، كما يحدد الـ DD الأوامرَ العَمَلِيَّةَ الشائعةَ المدعومةَ بالإضافة إلى شَكل جميع أوامر الخاصّة بجهاز ما وبنيتها، مع العلم أنَّ الـ DD الخاصَّ بالجهاز الطرفيِّ لـHART يُعَادِلُ تقريبًا ببرنامج تعريف الطابعة الخاصَّة بالحاسوب؛ فتُلغى حاجةُ الشّركات الصانعة إلى الجهاز المضيف  لتطويرِ واجهات وبرامج تعريف مخصصة.

يمثل ملفُ مواصفات الجهاز أو الـDD صورةً عامَّة تتضمن جميعَ المعاملات والوظائف الخاصَّة بالجهاز بلغة معياريَّة، بحيثُ تملك الشركاتُ المصنعة خيارَ تأمين الـ DD لمنتجاتهم التي تعمل على وَفق برتوكول HART، فإن قرروا تهيئةَ الملف فسيؤمن المعلوماتِ للتَّطبيق المضيف ليتمكَّن من قراءةِ البيانات وكتابتِها تبعاً لإجراءات كلّ جهاز.

تمثل الملفاتُ المصدريَّة لمواصفات الجهاز أو الـDD ملفات مكتوبة لُغة سي C، يتم التحققُّ من جَوْدة ملفات الـDD لضَمان عدم تضاربها بملفاتِ موجودة سابقاً، وقدرتها على العمل مع مضيفي HART القياسيين علمًا أن مكتبةَ HCF DD  تُعدُّ الموقعَ المركزيَّ لإدارة جميع  مِلفات مواصفات الجهاز وتوزيعها، لتسهيل الاستخدام في تطبيقات المضيف، مثلُ: الحواسيب الشخصيَّة والطَّرَفيَّات المحمولة.

فَوائد استخدام برتوكول HART:

لم يَعُدِ المهندسونَ -في المصانع التي تعتمدُ على الإشارات التشابهيَّة- بحاجة إلى أنْ يحلموا بالحُصول على معلوماتٍ عن حالة الجهاز أو إعداداته «عن بُعد». فقد أدركَ الجميعُ فوائدَ استخدام برتوكول HART مِن حيثُ القدرةُ على الحصول على وصولٍ سريع وسهلٍ للتجهيزات في أرضِ المَصنع، باستخدام الحواسيب أو الأجهزةِ المحمُولة باليدِ الخاصة بالاختبار أو المعايرة، ويمكننا القولُ: إنَّ  اختبارَ الجهاز وفحصَ التجهيزات لم يكن أسهلَ في أيِّ وقتٍ مضى!

ومع ذلك لم يدركِ الكثيرون حتّى الآن أهمَّ فوائد تقنيةِ HART التي سنوضحُها تالياً:

تقنية يمكن أن تساعدك في:

• الاستفادةِ من بيانات التجهيزات الذكية لتحسين علميات التشغيل.
• الحُصولِ على تنبيه عن أداء التجهيزات أو المنتج او العملية.
• تقليلِ المُدَّة بين عملية تحديد المشكلة وحلِّها.
• التحقق باستمرار من سلامة نظام التحكُّم والأتمتة.
• زيادة إنتاجية الموارد وعُمُر النِّظام.

زيادة عمر المصنع:

• دمجُ الأنظمة والأجهزةَ للكشف عن المشكلاتِ التي كانت في السَّابق غيرَ قابلة للاكتشاف.
• تحديد مُشكلاتِ الجهاز في الزمن الحقيقي.
• التقليل من تأثير التَّفاوت في الأداءِ وذلك بالحصول على تحذيرات جديدةٍ سابقة.
• تجنب التَّكلِفة العالية لعمليات توقف العمل المفاجئة أو أي خللٍ أخر.

تقليل تكاليف الصِّيانة:

• التحقُّق السَّريع واختبار كلٍّ مِن دارة التحكُّم وإعدادات التجهيزات.
• الاعتماد على عمليات التفحص عن بُعد لتقليل الزياراتِ الميدانية غيرِ الضرورية.
• تحليل بيانات الأداء لإجراءِ عمليّات الصّيانة السَّابقة.
• تقليل تكاليف تخزين قطع الغيار وإدارة التَّجهيزات.

 تحسين الالتزام مع اللوائح التنظيميَّة:

• إمكانية حفظ سجلات بيانات التَّوافُق آليّاَ.
• تسهيلُ اختبار نظام الأمان.
• رفع مستوى السَّلامة (SIL) من خلالِ عمليات التفحص المتقدِمة.
• الاستفادةُ من الأجهزة الذَّكية المتعددةِ المتغيّرات لإعداد تقاريرٍ أكثر شمولاً ودقَّة.

تتراوح مزِيَّاتُ تقنية HART من التَّوافُق مع الشَّبكات التشابهيَّة 4- 20 ميلي أمبير الموجودة  بالإضافة إلى مجموعةٍ واسعة تشمل:

• التوافق والأسلاكَ المعياريَّة 4-20 ميلي أمبير.
• المزامنة في نَقْل البيانات الرَّقْميَّة.
• اليُّسر في استخدام واجهات مألوفةٍ للمستخدم.
• الحدّ من المخاطر من خلال بروتوكول في غاية الدقَّة والموثوقية.
• سهولة التنفيذ لتحقيق أكبرَ قدر من الفاعلية من حيثُ التكلفةُ.
• متوافقٌ ومجموعةً واسعةً من المنتجات، وتطبيقات برمجيَّة من معظم شركات الأتمنة.
• إمكانية التشغيل في المصانع التي تحوي تجهيزاتٍ من شركات متعددة.

مواصفات بروتوكول HART:

حُسِّنَ البروتوكولُ في أواخر الثمانينات ثم تحول إلى مؤسسة HART  HART» Foundation» في أوائل التسعينات، ومنذ ذلك الحين حُدّث مرَّاتٍ عدَّة مع ضمان التوافُق والإصدارات السّابقة؛ علمًا أن الإصدارَ الحالي من البروتوكول HART هو الإصدارُ7.3

يعمل البروتوكولُ HART   في الطبقات: 1 و 2 و3 و 4 و7 من نموذج الشَّبكات القياسيَّة (OSI).

تعتمد الطبقةُ الفيزيائيَّة (Physical layer) على معيار Bell 202 مستخدمةً تعديلَ الإزاحة التردديَّ FSK بمعدل 1200 بت في الثَّانية، حيث إنَّ ترددات الإشارة والمتمثلة بقيم البتات 0 و 1 هي 2200 و 1200 هيرتز على التوالي. وتتراكب هذه الإشارةُ عندَ مستوًى منخفضٍ على إشارة تشابهيَّة وذلكَ من دون إحداثٍ أي تداخل في الإشارةِ التشابهيَّة.

تحدد طبقةُ ربطِ البيانات (Data-Link) بروتوكولَ السَّيد/ تابع، بحيث يستجيب الجهاز فقط عندما يُسمح له (يُؤمر بذلك)، كما من المُمكن أيضًا وجودُ جهازين رئيسيين حيث يعمل نظامُ التحكُّم جهازًا رئيسًا أساسيًّا ويعمل جهاز اتِّصال محمول باليد جهازًا فرعيًّا. وتتم مزامنةُ كلّ جهاز رئيس حتى يبدأ الاتِّصال، وذلك مع إمكانية توصيل ما يقارب 15 جهازًا تابعًا أو أكثرَ بزوجٍ من كابلات الشبكة بنمط: multidrop.

تُوفِر طبقةُ الشبكة (Network layer) خِدْماتِ التَّوجيه والنقْل التشفير من نوع نهاية إلى نهاية، فهي تدير الجلساتِ لتحقيق اتِّصالِ «end-to-end»  بالأجهزة المطلوبة.

طبقة النقل (Transport Layer) في حين تضمن طبقةُ ربط البيانات بثَّ الاتِّصالات بنجاح من جهاز إلى آخرَ، تُستخدم طبقة النقْل لضمانِ نجاح الاتِّصال النهائي (end-end).

تُحدِّدُ طبقةُ التطبيق (Application layer) الأوامرَ والاستجاباتِ وأنواعَ البيانات وتقاريرَ الحالة التي يدعمها البروتوكول. ففي هذه الطبقة تًقسم الأوامرُ العامَّة للبروتوكول إلى أربعِ مجموعات رئيسة:

• الأوامر العامَّة Universal Commands: وهي تَشملُ الوظائفَ التي يجب تنفيذُها بالأجهزة الطرفيَّة كافةً.
• الأوامر المُشتركة Common Practice Commands: وهي تشملُ وظائفَ مشتركةً لبعض الأجهزة وليس لجميعها.
• أوامر خاصَّة بالجهاز Device Specific Commands: وهي تشملُ وظائفَ مُعيَّنةً لجهازٍ مُعيَّن تُحددُها الشَّركةُ المُصنِّعة.
• أوامر نوعيَّة Device Family Commands: وهي تشملُ مجموعةً من الوظائف لأنواع مُحددة من الأجهزة ذواتِ أنماطِ قياسٍ خاصَّة ممَّا يسمح بالوصول العامِّ والكامل من دون استخدام الأوامر الخاصَّة بالجهاز.

تطبيقات متقدمة:

تظهر قدرةُ بروتوكول HART في مُخطَّط التحكُّم في الشكل أدناه، حيث يبين هذا التطبيقُ المميَّز الخاصِّيةَ الكامنةَ في بروتوكول HART؛ فتُرسل كلٌّ من إشارات الاتِّصالات الرَّقْميَّة والتشابهيَّة إرسالًا متزامنًا بنفس الأسلاك.

ففي هذا التطبيق يعملُ المُرسلُ المتوافق وHART بنظامِ التحكُّم PID حيث أُعِدَ الجهازُ  لتَتَناسبَ قيمةُ إشارة 4-20 ميلي أمبير وخَرْجَ خوارزميَّة PID المنفذة في الجهاز، ونظراً، لأنَّ تيار الدارة 4- 20 ميلي أمبير يُنظَّم من خَرْج التحكُّم PID، فهو يُستخدم لقيادة الصِّمَام الإلكتروني استخدامًا مباشرًا.

تُنفَّذ دارة التحكُّم بالكامل بينَ المرسل (ذي PID) وصِمَام التحكُّم، لكي تستمرَ عمليةُ التحكُّم وتعملَ الإشارةُ التشابهيَّة التقليديَّة 4-20 ميلي أمبير على تشغيل الصِّمَام، ويَربُط الاتِّصال الرَّقْميّ لـHART المشغل بدارة التحكُّم لتغيير نقطة الضَّبط وقراءةِ المتغيّرات الأساسيَّة أو خَرْج موضع الصِّمَام.

من المُمكن توفيرُ الكثيرَ في التَّطبيقات باختيار معماريَّة تحكُّم مناسبة.

 

---

المصدر: هنا

ترجمة: سارة خضر, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير: كرم ديوب.