ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÀI TẬP 3 MÔN HỌC CÔNG NGHỆ 4 0 TRONG LÃNH VỰC CƠ KHÍ CHỦ ĐỀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG HART HỌC KỲ 222 / NĂM HỌC 2022 2023 LỚP L05 NHÓM 6 GIẢNG VI[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _ BÀI TẬP MÔN HỌC: CƠNG NGHỆ 4.0 TRONG LÃNH VỰC CƠ KHÍ CHỦ ĐỀ: GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG HART HỌC KỲ 222 / NĂM HỌC 2022-2023 LỚP: L05 NHÓM: GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: THẦY TRẦN QUANG PHƯỚC Thành phố Hồ Chí Minh – 2023 PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Họ tên Bùi Trung Kiên Kiều Trung Tín Huỳnh Nhật Trường Lê Gia Khánh MSSV 1910285 1910610 1910652 1913734 Ngô Trần Quang Châu 1912766 Huỳnh Lê Hữu Tuấn 1915762 Nội dung So sánh với Profibus, Tổng hợp, Powerpoint Kiểm tra nội dung, Tổng hợp, Powerpoint Khái niệm, so sánh với PLC Chế độ giao tiếp, Giao thức WirelessHART, so sánh với Modbus Chế độ mạng HART, Ưu điểm, so sánh với Industrial Ethernet Nhược điểm, ứng dụng, so sánh với Fieldbus MỤC LỤC Khái niệm Nguyên lý hoạt động Chế độ mạng HART Chế độ giao tiếp Ưu điểm nhược điểm Ứng dụng HART không dây 8 So sánh 10 8.1 Hart HOT 10 8.2 Hart Modbus 11 8.3 Hart Powerline communication (PLC) 12 8.4 Hart Fieldbus Foundation 13 Khái niệm Giao thức HART (Highway Addressable Remote Transducer) tiêu chuẩn toàn cầu để gửi nhận thơng tin tín hiệu kỹ thuật số (Digital) đường truyền tín hiệu tương tự Analog thiết bị thông minh hệ thống điều khiển giám sát thiết bị truyền thông cầm tay Cụ thể hơn, HART giao thức truyền thông hai chiều cung cấp khả truy cập liệu thiết bị trường thông minh hệ thống máy chủ (DCS / PLC Handheld Communicator) Máy chủ ứng dụng phần mềm từ thiết bị cầm tay PC để kiểm soát nhà máy xử lý, quản lý thiết bị, an toàn hệ thống khác Giao thức Hart phát triển Emerson vào năm 1980 giao thức truyền thông độc quyền, để giải khiếm khuyết giao thức truyền thơng 4-20mA có (giao thức truyền tham số giá trị đo được) Với HART, nỗ lực tự động hóa cơng nghiệp đạt giao tiếp hai chiều khắc phục nhược điểm 4-20mA, giữ lại sở hạ tầng giao thức HART gửi tín hiệu kỹ thuật số đồng thời với tín hiệu tương tự mà không bị méo nhiễu Giúp cho công ty tái đầu tư hệ thống thiết bị mà sử dụng giao thức Hart Nguyên lý hoạt động Công nghệ HART giao thức Chủ(master) / tớ(slave) điều có nghĩa thiết bị thơng minh (slave) giao tiếp với master master u cầu Truyền thơng HART sử dụng chế độ khác điểm – tới – điểm đa điểm Truyền thông HART hai thiết bị mà hỗ trợ giao thức HART thường thiết bị thông minh điều khiển hệ thống giám sát Giao thức truyền thông HART dựa tiêu chuẩn giao tiếp Bell 202 hoạt động cách sử dụng nguyên tắc khóa dịch chuyển tần số (Frequency Shift Keying – FSK) Tín hiệu kỹ thuật số tạo thành từ hai tần số: 1200 Hz 2200 Hz đại diện cho bit tương ứng Sóng hình sin hai tần số chồng lên đường tín hiệu tương tự dịng điện chiều (DC) để cung cấp thông tin liên lạc tương tự kỹ thuật số đồng thời Vì giá trị trung bình tín hiệu FSK ln nên tín hiệu tương tự 4–20 mA khơng bị ảnh hưởng Tín hiệu kỹ thuật số có thời gian đáp ứng khoảng 2-3 lần cập nhật liệu giây mà không làm gián đoạn tín hiệu tương tự Cần có trở kháng vòng tối thiểu 230 W để giao tiếp Điều cho phép giao tiếp trường hai chiều diễn giúp thơng tin bổ sung ngồi biến quy trình thơng thường truyền đạt đến/ từ thiết bị trường thông minh Giao thức HART giao tiếp tốc độ 1200 bps mà không làm gián đoạn tín hiệu 4-20mA cho phép ứng dụng Master nhận hai nhiều cập nhật kỹ thuật số giây từ thiết bị trường thông minh Công nghệ HART giao thức chủ/ tớ (master/ slave), có nghĩa thiết bị trường thơng minh (Slave) nói Master hỏi Giao thức HART sử dụng nhiều chế độ khác điểm-điểm đa điểm để truyền thông tin đến / từ thiết bị trường thông minh hệ thống giám sát điều khiển trung tâm Giao thức HART cung cấp hai kênh giao tiếp đồng thời: tín hiệu tương tự 4-20mA tín hiệu kỹ thuật số Tín hiệu 4-20mA giao tiếp giá trị đo (trong trường hợp thiết bị trường) cách sử dụng vòng lặp dòng điện 4-20mA – tiêu chuẩn công nghiệp nhanh đáng tin cậy Thông tin thiết bị bổ sung giao tiếp cách sử dụng tín hiệu kỹ thuật số đặt chồng lên tín hiệu tương tự Tín hiệu kỹ thuật số chứa thông tin từ thiết bị bao gồm trạng thái thiết bị, chẩn đoán, giá trị đo tính tốn bổ sung, v.v Cùng với nhau, hai kênh truyền thơng cung cấp giải pháp truyền thơng trường hồn chỉnh chi phí thấp mạnh mẽ, dễ sử dụng cấu hình Chế độ mạng HART Thiết bị HART hoạt động hai cấu hình mạng: điểm – điểm đa điểm Điểm – Điểm (POINT-TO-POINT) Giao tiếp HART xảy hai thiết bị hỗ trợ HART, thường thiết bị trường thông minh hệ thống điều khiển giám sát Giao tiếp xảy cách sử dụng dây cấp thiết bị đo tiêu chuẩn sử dụng phương pháp đấu dây kết thúc tiêu chuẩn HART cung cấp tới hai Master (sơ cấp thứ cấp) Điều cho phép Master thứ cấp thiết bị cầm tay sử dụng mà không can thiệp tới thông tin liên lạc đến / Master sơ cấp (hệ thống điều khiển / giám sát) Giao thức HART cho phép tất giao tiếp kỹ thuật số với thiết bị trường cấu hình mạng điểm-điểm đa điểm: Chế độ đa điểm (Multidrop) Chế độ cấu hình mạng Multi-Drop cho phép số thiết bị kết nối cặp dây Giao tiếp chế độ đa điểm hoàn toàn kỹ thuật số giao tiếp qua dịng tương tự bị tắt dịng điện qua thiết bị cố định giá trị tối thiểu vừa đủ cho hoạt động thiết bị (thường 4mA) Chế độ giao tiếp Nói chung, truyền thông theo giao thức HART, thiết bị mạng, thường hệ thống điều khiển phân tán PLC Được yêu cầu định thiết bị chính, thiết bị trường cảm biến thiết bị truyền động, định làm tớ Tuy nhiên, cách thức mà tớ slave giao tiếp với chủ phụ thuộc vào chế độ giao tiếp mà mạng cấu hình Một mạng thiết bị tuân thủ giao thức HART thiết lập để giao tiếp hai chế độ, cụ thể là: Chế độ giao tiếp Yêu cầu Phản hồi Chế độ burst Chế độ giao tiếp yêu cầu- phản hồi Trong chế độ giao tiếp yêu cầu- phản hồi, thiết bị phụ truyền thơng tin thiết bị đưa u cầu Mặc dù chế độ có nhược điểm đặc biệt giảm tốc độ truyền thông (cập nhật liệu 2-3 giây), giúp giữ cho giao thức đơn giản hiệu quả, dễ thực Chế độ Burst Để phù hợp với yêu cầu ứng dụng, giao thức có chế độ giao tiếp khác gọi Chế độ “Burst” Trong chế độ này, thiết bị “tớ” gửi mẩu thông tin nhất, liên tục mà không cần yêu cầu lặp lại từ chủ Chế độ cung cấp tốc độ giao tiếp nhanh với tối đa 3-4 cập nhật giây thường sử dụng tình yêu cầu nhiều thiết bị HART để nghe giao tiếp từ vòng lặp HART Để cho phép giám sát bên ngoài, mong muốn cho hầu hết ứng dụng công nghiệp, hai chế độ giao tiếp hỗ trợ tối đa hai chế độ xác định phụ Thiết bị chính, thường hệ thống điều khiển/ giám sát thiết bị phụ thường thiết bị giống thiết bị đầu cuối cầm tay HART Communicator, kết nối với vòng lặp HART khoảng thời gian ngắn Ưu điểm nhược điểm Ưu điểm Ưu điểm giao thức HART bao gồm điều sau đây: - Các thiết bị kích hoạt giao thức HART đơn giản cho phép người dùng làm cho thiết bị sử dụng liệu tốt để tối ưu hóa khả hoạt động chúng - Nó làm giảm thời gian ngừng hoạt động hỏng hóc thiết bị cách nhận cố tiềm ẩn trước chúng xảy - Nó làm giảm chi phí tồn kho bảo trì thiết bị - Nó giảm thời gian chờ đợi để nhận vấn đề giải vấn đề - Nó tăng cường mức độ tồn vẹn an tồn cách sử dụng chẩn đốn nâng cao - Lợi ích việc chọn giao thức HART chủ yếu bao gồm; khả kỹ thuật số, khả tương tự, tính khả dụng khả tương tác - Giao thức sử dụng với thiết bị cảm biến khác - Các thiết bị dựa giao thức HART chấp nhận rộng rãi ngành công nghiệp - Giao thức làm tăng tính khả dụng hệ thống, tiến độ đặn, … Nhược điểm - Tín hiệu kỹ thuật số q trình truyền HART chậm - Đối với cách xếp nhiều lần thả, tín hiệu tương tự khơng thể truy cập & khơng số lượng thiết bị chia đường truyền bị hạn chế - Nó giám sát biến quy trình thời điểm - Loại giao thức chậm so với hệ thống Fieldbus khác Profibus & Foundation Fieldbus Vì vậy, thời gian phản hồi chậm gây số khó khăn số ứng dụng dựa cơng nghiệp - Nói chung, tốc độ giao thức HART đủ cho hệ thống giám sát đơn giản nơi biến quy trình khơng thay đổi nhanh chóng Ứng dụng Các ứng dụng giao thức HART bao gồm điều sau đây: - Giao thức HART sử dụng toàn giới để truyền nhận liệu kỹ thuật số hệ thống dây analog thiết bị thông minh hệ thống điều khiển - Đây giao thức phổ biến sử dụng tự động hóa cơng nghiệp - Giao thức chủ yếu để phân tích thiết bị thơng minh - Điều sử dụng rộng rãi hệ thống quy trình & thiết bị - Loại giao thức truyền thông lý tưởng cho thiết bị đa biến bao gồm đồng hồ đo lưu lượng khối lượng nơi truyền tải lưu lượng thể tích, lưu lượng khối lượng, mật độ nhiệt độ tới hệ thống điều khiển qua dây cáp - Giao thức chủ yếu thiết kế để sử dụng ứng dụng đo lường kiểm sốt quy trình cơng nghiệp - Giao thức HART chủ yếu sử dụng ngành công nghiệp xử lý để liên lạc thiết bị khác HART không dây WirelessHART giao thức truyền thông không dây cho ứng dụng quy trình tự động hóa Bổ sung khả không dây cho công nghệ HART trì khả tương thích với thiết bị, lệnh cơng cụ HART có Theo thiết kế, WirelessHART sử dụng công nghệ mạng lưới Mỗi thiết bị mạng lưới đóng vai trị định tuyến cho tin nhắn từ thiết bị khác Nói cách khác, thiết bị khơng phải giao tiếp trực tiếp với cổng mà cần chuyển tiếp thơng báo tới thiết bị gần Điều mở rộng phạm vi mạng cung cấp tuyến giao tiếp dự phòng để tăng độ tin cậy, đặc biệt môi trường vơ tuyến khó khăn sở xử lý Mỗi mạng WirelessHART bao gồm ba yếu tố chính: - Các thiết bị trường không dây kết nối với thiết bị xử lý nhà máy Thiết bị thiết bị tích hợp WirelessHART thiết bị hỗ trợ HART cài đặt có với điều hợp WirelessHART gắn vào thiết bị - Cổng cho phép giao tiếp thiết bị ứng dụng máy chủ kết nối với đường trục tốc độ cao mạng truyền thơng nhà máy có khác - Trình quản lý mạng chịu trách nhiệm định cấu hình mạng, lên lịch liên lạc thiết bị, quản lý tuyến tin nhắn theo dõi tình trạng mạng Trình quản lý mạng tích hợp vào cổng, ứng dụng máy chủ điều khiển tự động hóa quy trình Để linh hoạt đáp ứng yêu cầu ứng dụng khác nhau, tiêu chuẩn WirelessHART hỗ trợ nhiều chế độ nhắn tin bao gồm xuất chiều giá trị điều khiển quy trình, thơng báo tự phát theo ngoại lệ, yêu cầu/phản hồi đặc biệt truyền khối liệu lớn phân đoạn tự động Những khả cho phép truyền thông điều chỉnh theo yêu cầu ứng dụng, giảm mức sử dụng lượng chi phí hoạt động Ưu điểm WirelessHART - Ứng dụng rộng rãi, - Tiết kiệm chi phí, - Có thể mở rộng, - Nền tảng trung lập, - An toàn, - Tương thích ngược cung cấp giao thức khơng dây mạnh mẽ cho toàn ứng dụng quản lý tài sản, kiểm sốt đo lường quy trình Ethernet - Nói "truyền thơng Ethernet" hồn tồn vơ nghĩa Khơng có hành tinh mà bạn kết nối "Ethernet" sử dụng để kiểm sốt Bạn u cầu phải có số loại giao thức chạy lớp vật lý Ethernet Phổ biến sử dụng TCP/IP, điều giúp bạn nửa chặng đường, bạn cần biết có gói TCP/IP Foundation Fieldbus có giải pháp Ethernet gọi HSE Nhóm Profibus có Profinet HART - Bộ chuyển đổi từ xa định địa đường cao tốc Foundation Fieldbus thường thiết kế để thay cho HART HART tiêu chuẩn cũ đặt tín hiệu giao tiếp lên tín hiệu 420mA phổ biến sử dụng van đồng hồ đo So sánh 8.1 Hart HOT Ưu điểm Nhược điểm - làm cho thiết bị sử dụng liệu tốt - Tín hiệu kỹ thuật số để tối ưu hóa khả hoạt động trình truyền HART chậm chúng - Hart - Đối với cách xếp nhiều lần giảm thời gian ngừng hoạt động thả, tín hiệu tương tự khơng thể hỏng hóc thiết bị cách nhận truy cập & không số lượng cố tiềm ẩn trước chúng thiết bị chia đường truyền xảy bị hạn chế - giảm chi phí tồn kho bảo trì thiết bị - Nó giám sát biến quy trình thời điểm - giảm thời gian chờ đợi để nhận vấn đề giải vấn đề - Loại giao thức chậm so với hệ thống Fieldbus khác - tăng cường mức độ toàn vẹn an toàn Profibus & Foundation cách sử dụng chẩn đốn nâng Fieldbus Vì vậy, thời gian phản cao hồi chậm gây số khó 10 khăn số ứng dụng dựa công nghiệp - tốc độ giao thức HART đủ cho hệ thống giám sát đơn giản nơi biến quy trình khơng thay đổi nhanh chóng - Tăng suất thời gian hoạt động - Quyền riêng tư liệu Bảo hiểm IoT phải đọc - Cải thiện hiệu trình - Đẩy nhanh đổi - Chi phí Việc chuyển đổi sang IIoT tốn - Giảm thời gian ngừng hoạt động tài sản - Giao tiếp Giao tiếp, kết nối cộng tác thiết bị IIOT - Nâng cao hiệu hoạt động - Tạo khả hiển thị hoạt động từ đầu đến cuối tảng kỹ thuật số phần quan trọng IIoT - Công dụng phức tạp - Nâng cao chất lượng sản phẩm - Giảm chi phí vận hành - Tối ưu hóa kế hoạch sản xuất 8.2 Hart Modbus Hart Modbus tín hiệu kỹ thuật số chậm hồn tồn kỹ thuật số (RS485) tương đối nhanh Cho phép giao tiếp kỹ thuật số hai yêu cầu hai dây cho tín hiệu hai chiều lúc hệ dây cho nguồn thống dây truyền 11 HART không cho phép giao tiếp đồng cho phép giao tiếp đồng thời với nhiều thời với nhiều thiết bị vòng lặp thiết bị vòng lặp nhiều lần nhiều lần chủ máy chủ HART phải thăm dò địa nô lệ HART giao tiếp với thiết bị HART thời điểm Ổn định bị nhiễu so với tín hiệu analog 4-20mA 8.3 Hart Powerline communication (PLC) Ưu điểm HART - PLC Giao tiếp hai chiều nhiều thông - Tốc độ truyền data cao, khoảng cách xa tin bổ sung biến quy trình - Khơng cần thiết kế lại đường dây, - Khả tương thích đa dạng chi phí triển khai thâp - Không cần tham số dây bổ sung - Dễ dàng lắp đặt triển khai mạng tham số phần cứng phần mềm hầu hết thiết thiết bị điện có tín hiệu tương tự 4mA-20mA Nhược điểm HART - PLC Nhiều trường hợp, hầu hết ứng - Hay xuất suy giảm hàm dụng trang bị thêm hệ thống tự động truyền tần số định, dẫn hóa có họ với hệ thống mà chấp đến tín hiệu, nhiễu xung nhận liệu kỹ thuật số cung cấp - Biến dạng phi tuyến điều chế giao thức HART chéo kênh 12 - Kích thước lớn - Giá cao tụ điện cuộn cảm sử dụng hệ thống PLC 8.4 Hart Fieldbus Foundation HART Fieldbus Foundation - Có lợi khác biệt xem xét khả cung cấp lượng FF có u cầu cơng suất tối thiểu 8mA khơng có giới hạn thơng số kỹ thuật, đó, giới hạn cuối FF ngân sách lượng phân khúc H1 Foundation Fieldbus chia sẻ - HART có hạn chế lượng Cung cấp lượng chỗ có khoảng 35 mmW 4mA khả dụng cho tín hiệu HART lớp vật lý chung cung cấp lượng giao tiếp cho tối đa 32 thiết bị cặp dây Có thể cung cấp tối đa ampe điện áp 12V đến 32V qua cặp dây này, hệ thống lắp đặt khơng có điện áp thường giới hạn công suất mức nửa ampe trở xuống hệ thống lắp đặt an tồn nội hạn chế dịng điện điện áp mức thấp Kết thiết bị FF có sẵn nhiều lượng hơn, 13 ứng dụng An toàn nội - Liên quan đến tiến mức tiêu thụ lượng silicon, tức lượng xử lý, điều giống HART FF, FF ln có khả cho nhiều chức - Tốc độ truyền HART chậm - 1200 FF H1 giao tiếp tốc độ bit/s đặt thêm gánh nặng cho hệ bit/s, hiệu suất 31.250 Hiệu suất thống điều khiển, giao phảitiếp tốt rõ ràng so giao tiếp HART nhiều thời gian để hỏivới 1000 2000 công cụ xem họ “cảm thấy nào” - Cơng nghệ HART có khả - FF giao tiếp với thiết bị cung cấp chẩn đốn cho khác, mở tiềm hồn thiết bị, điều bao gồm toàn liên quan đến chẩn đoán Chuẩn đoán tùy chọn dự đoán Do đó, HART máy phát khơng có kiến thức thiết nâng cao hệ thống sức khỏe bị khác thực vật - Nhiều chẩn đoán thiết bị kết di sản HART - Các khả tương lai - HART khơng có sức mạnh xử lý chẩn đoán nâng cao FF để cung cấp khả phản chiếu lớn với tiềm tự xác thực Chuẩn đoán FF tất nhiên bị hạn chế nâng cao chỗ chẩn đốn truyền, van, van giảm áp, v.v Nếu hệ thống cũ được liên kết với thiết bị cụ thể cài Thực tế FF cung cấp khả giao tiếp thiết bị cho 14 phép ứng dụng phức tạp đặt, tính giám sát quy trình thống kê khơng khả dụng theo dõi tình trạng máy móc Các chẩn đốn sử dụng phép tốn phức tạp đó, thiết bị dựa HART khơng có nguồn điện cần thiết để thực trình xử lý số cần thiết - HART cung cấp cặp dây Khả đa điểm - cho thiết bị - FF công nghệ trường cấp nguồn cho thiết bị multidrop thực với giới qua dịng tín hiệu từ đến 20 ma hạn lý thuyết 32 thiết bị, - HART có khả dành cho thực tế 12-16 Ngoài ra, kỹ thuật số hạn chế giới khái niệm hạn lý thuyết 15 thiết bị, FNICO nhiên thực tế có khoảng Trunk thay đổi hồn tồn thiết bị vòng lặp SERIES số lượng thiết bị High FISCO, Power Hiện HART tùy chọn tất thiết bị - Fieldbus Foundation Sử dụng nối dây riêng lẻ Đây làm việc hệ thống hệ người đưa an toàn FF, nhiên thống định quan trọng cần cách tiếp cận nhà máy nâu lại với HART, mạnh mẽ Việc thiếu FF SIS tức là, công nghệ cản trở việc chấp nhận tồn nhà máy hồn tồn cơng nghệ an tồn thiết bị 15