HART Protokolü Nedir? Çalışma Prensibi ve HART Communicator

HART protokolü nedir?

HART (Highway Addressable Remote Transducer), akıllı saha cihazları ile ana sistemler (host) arasında çift yönlü veri alışverişi sağlayan bir haberleşme protokolüdür. En belirgin özelliği, tesislerde zaten bulunan 4-20 mA analog akım döngülerinin iki kablosunu paylaşmasıdır: analog sinyal yerinde kalır, dijital veri aynı kabloların üzerinden geçer. Bu yüzden analog ve dijitali birleştiren karma (hibrit) bir açık protokol olarak tanımlanır.

Protokolün kökü, 1980’lerin ortasında Rosemount’un akıllı saha cihazları için Bell 202 haberleşme standardı üzerine kurduğu, başlangıçta firmaya özel bir dijital protokole dayanır; bu protokol HART’a dönüştü ve sonradan açık protokol hâline getirildi. HART spesifikasyonlarının sahibi bugün FieldComm Group’tur. Kuruluşa göre HART bir IEC standardı oldu, üç büyük revizyon geçirdi ve önceki sürümlerle geriye dönük uyumunu korudu; dünyada HART destekli 40 milyondan fazla saha cihazı kuruludur.

Ana sistem, teknisyenin el terminali ya da dizüstü bilgisayarındaki bir yazılımdan tesisin proses kontrol, varlık yönetimi ya da güvenlik sistemine kadar herhangi bir uygulama olabilir. Saha cihazı ise genellikle basınç, seviye, sıcaklık ya da akış transmitteri gibi bir ölçüm cihazıdır. Transmitter ve çıkış türleri transmitter nedir rehberinde anlatılır.

HART nasıl çalışır?

HART, dijital veriyi frekans kaydırmalı anahtarlama (FSK) yöntemiyle 4-20 mA akımının üzerine bindirir: Bell 202 standardına göre 1200 Hz’lik ton mantıksal “1”i, 2200 Hz’lik ton mantıksal “0”ı temsil eder ve veri 1200 bit/s hızında iletilir. Gönderen saha cihazı (transmitter), analog akımın üzerine tepeden tepeye 1 mA’lık bir alternatif akım ekler; Kuphaldt’ın devre modelinde el terminali ise sinyalini alternatif bir gerilim olarak uygular.

İki sinyal birbirini bozmaz. FieldComm Group’a göre FSK sinyalinin fazı kesintisiz olduğu için 4-20 mA sinyaliyle girişim olmaz. Analog Devices’ın uygulama notuna göre HART fiziksel katman spesifikasyonu, analog sinyalin dc ile 25 Hz arasındaki bantta kalmasını ister; akımdaki ani basamak değişimleri HART sinyalini bozar. Ölçüm yavaş değişen bir doğru akım, HART ise onun üzerindeki ses frekansı tonlarıdır.

HART, OSI modelinin yedi katmanından üçünü kullanır. Fiziksel katman FSK modülasyonunu, veri bağlantı katmanı ana ve bağımlı cihazların sırayla konuşmasını ve mesaj çerçevesini, uygulama katmanı ise cihaz verisini okuyan ve yazan komutları tanımlar.

Dijital kanal yavaştır: kaynaklara göre istek ve cevapla çalışan haberleşmede saniyede ancak iki ya da üç güncelleme alınabilir (FieldComm Group tipik 2-3 birincil değer güncellemesi, Kuphaldt’ın endüstriyel otomasyon ders kitabı ortalama en çok iki tam mesaj verir). Bu nedenle HART’ın dijital kanalı çoğu uygulamada sürekli kontrol için değil, ayar, teşhis ve durum bilgisi için kullanılır. Ölçüm değerini analog akım taşır. Akım döngüsünün kendisi 4-20 mA nedir rehberinde anlatılır.

HART haberleşmesi için döngüde hangi direnç gerekir?

HART haberleşmesi için döngüde belli bir en az direnç bulunmalıdır; pratikte bu genellikle 250 Ω’luk bir dirençtir. HART Communication Foundation adına Control Global sitesinde 2005’te yayımlanan bir yazıya göre spesifikasyon 230 ile 1100 Ω arasındaki döngü dirençlerine izin verir ve genellikle 250 Ω önerilir; Kuphaldt’ın ders kitabı aralığı 250-1100 Ω olarak verir. Hesaba döngüdeki bütün dirençler ve kablo direnci birlikte girer.

Alt sınırın nedeni, HART sinyalinin alıcıda bir gerilim olarak okunmasıdır. Saha cihazının gönderdiği 1 mA tepeden tepeye akım, ancak bir direnç üzerinden geçtiğinde ölçülebilir bir gerilime dönüşür: 250 Ω’da bu, Ohm yasasına göre yaklaşık 250 mV tepeden tepeye demektir. Direnç olmadığında DC güç kaynağı alternatif sinyal için kısa devre gibi davranır ve kablolar arasında gerilim oluşmaz; el terminalinin gönderdiği sinyal için de sonuç aynıdır. Bu yüzden direnç, güç kaynağı ile HART cihazlarının arasında yer almalıdır.

Pratikte iki durum öne çıkar:

• Sahadaki döngü: Kontrol sisteminin girişinde 4-20 mA’yı 1-5 V’a çeviren 250 Ω’luk bir direnç varsa koşul genellikle kendiliğinden sağlanır.
• Atölye tezgâhı: Transmitter laboratuvar tipi bir güç kaynağına dirençsiz bağlandığında HART haberleşmesi kurulamaz; Kuphaldt sorunun en çok bu durumda yaşandığını belirtir. Bazı döngü kalibratörlerinde HART için seçilebilir dahili 250 Ω direnç bulunur (örneğin Fluke 709H).

Üst sınır ise HART sinyaliyle değil, besleme geriliminden dirençlerde düşen gerilim çıktıktan sonra transmitterin uçlarında çalışmaya yetecek gerilim kalmasıyla ilgilidir. Kuphaldt, besleme gerilimi düşük bir döngüde 1100 Ω’un bile fazla gelebileceğini not eder. Besleme gerilimi ile yük direnci arasındaki ilişki 4-20 mA rehberinin “kaç volt” bölümünde anlatılır.

HART communicator nedir, döngüye nasıl bağlanır?

HART communicator (HART el terminali), teknisyenin sahaya götürdüğü ve pille çalışan bir yapılandırma cihazıdır: döngüye bağlanarak HART özellikli bir saha cihazının bilgilerini okur ve ayarlarını değiştirir. HART modemi takılı, yapılandırma yazılımı ve cihazın tanım dosyası yüklü bir bilgisayar da aynı işi görür; HART haberleşmesi sunan bazı döngü kalibratörleriyle de cihaz bilgisi okunabilir, teşhis testi ve çoğu HART transmitterinde trim ayarı yapılabilir.

El terminali döngüye seri değil paralel bağlanır; HART cihazları bu biçimde tasarlandığı için haberleşme, döngüyü açmadan ve 4-20 mA sinyalini kesmeden kurulur. Üreticilerin genellikle önerdiği yer saha cihazının kendi uçlarıdır, ama başka noktalar da kullanılabilir:

• Transmitter uçlarına elektriksel olarak paralel her nokta: Örneğin uzun bir döngüde, saha cihazına gitmek yerine pano tarafındaki bir klemens.
• Döngü direncinin iki ucu: DC güç kaynağı alternatif sinyal için kısa devre gibi davrandığından, terminal direncin uçlarından da transmitterle haberleşebilir.

Yeni cihaz modelleriyle haberleşebilmesi için terminale bu modellerin DD dosyaları yüklenmelidir.

HART’ta birincil ve ikincil master nedir?

HART’ta haberleşmeyi ana cihaz (master) başlatır; saha cihazı yalnız kendisine sorulduğunda cevap verir. Bir HART ağına aynı anda en çok iki master bağlanabilir: kontrol sistemi tipik olarak birincil master, el terminali ise ikincil masterdır.

Bu kuralın isteğe bağlı istisnası burst kipidir: ana cihaz bir kez komut verdiğinde saha cihazı, her seferinde sorulmayı beklemeden veriyi art arda yayımlamaya başlar. Sorgulamaya göre daha az zaman harcanır, ama hız yine sınırlıdır. Kuphaldt’ın verdiği tipik değer saniyede yaklaşık üç mesajdır; aynı cihaz üç ayrı değişkeni sırayla yayımlıyorsa her değişken ancak saniyede bir kez yenilenir. Sıvı debisinin kapalı çevrim kontrolü gibi hızlı uygulamalarda bu yeterli olmaz.

HART’ta noktadan noktaya ve multidrop bağlantının farkı nedir?

Noktadan noktaya bağlantıda her kablo çiftinde tek bir cihaz bulunur ve cihazın adresi 0’dır. 4-20 mA akımı, kullanıcının seçtiği bir ölçüm değerini taşır; diğer değerler aynı kablolardan dijital olarak gelir. Örneğin basınç 4-20 mA ile, sıcaklık dijital olarak iletilebilir.

Çok noktalı (multidrop) bağlantıda ise analog döngü akımı 4 mA’da sabitlenir ve aynı kablo çiftine birden çok cihaz paralel bağlanır; ölçüm değerleri yalnız dijital olarak okunur. Her cihazın ağda tek olan bir adresi olmalıdır:

HART sürümü	Çok noktalı bağlantıda adres aralığı
HART 3, 4 ve 5	1-15
HART 6	1-63
HART 7	0-63

Bu kipin sınırı da hızdır. Veri hızı düşük olduğu için belirli bir cihazın verisini almak birkaç saniye sürebilir; sıcaklık gibi yavaş değişen ölçümlerde bu gecikme sorun olmayabilir. Kuphaldt, çok noktalı kipin sahada nadiren kullanıldığını belirtir.

HART komutları ve dinamik değişkenler (PV, SV, TV, QV) nedir?

HART komutları üç sınıfa ayrılır ve her HART cihazının cevabında tanımlı cihaz durum bilgisi bulunur; ana sistem bu bilgiden temel teşhis bilgisi çıkarabilir.

• Evrensel komutlar: Her HART cihazı bunları tanımak ve desteklemek zorundadır. Üretici ve cihaz tipini, birincil değeri ve birimini, akım çıkışını ve aralık yüzdesini, en çok dört dinamik değişkeni, etiket (tag) bilgisini, ölçüm aralığı değerlerini, birimi ve sönümleme süresini okumak bunlardandır.
• Ortak uygulama komutları: Birçok cihazın uyguladığı, ama her cihazda bulunması gerekmeyen işlevlerdir: sönümleme süresini ve aralık değerlerini yazma, birincil değer birimini değiştirme, sıfır ve aralık ayarı, birincil değer sıfır trimi, akım çıkışını sabit bir değere ayarlama, öz test, karekök ya da doğrusal aktarım fonksiyonunu seçme.
• Cihaza özel komutlar: Her saha cihazına özgü ayar ve kalibrasyon bilgisine erişir; bilgisi cihaz üreticisinden alınır. FieldComm Group’un örnekleri debimetrelere uyar: düşük debi kesmesi, toplayıcıyı başlatma, durdurma ve sıfırlama, yoğunluk kalibrasyon katsayısı, birincil değeri kütle, debi ya da yoğunluk olarak seçme.

Dinamik değişkenler, cihazın ölçtüğü değerlerden ana sisteme sunulan dördüdür: birincil değer (PV), ikincil değer (SV), üçüncül değer (TV) ve dördüncül değer (QV). 4-20 mA akımı PV’yi taşır. Hangi ölçümün hangi dinamik değişkene atanacağı ortak uygulama komutlarıyla okunup değiştirilebilir. Bu, birden fazla büyüklük ölçen cihazlarda işe yarar: örneğin bir Coriolis debimetre akışkanın debisini, yoğunluğunu ve sıcaklığını aynı anda ölçer; tek kablo çifti yalnız bir analog değer taşıyabilir, ama diğerleri HART ile dijital olarak okunabilir.

DD (cihaz tanımı) dosyası nedir?

DD (Device Description, cihaz tanımı), bir cihazın kendine özgü özelliklerini ve işlevlerini, menüleri ve görüntüleme ayrıntılarıyla birlikte tanımlayan elektronik bir veri dosyasıdır. El terminalleri dahil ana sistem uygulamaları, cihazın tüm parametrelerine ve verilerine bu dosyayla erişir; cihaza özel komutlar da ana sisteme DD aracılığıyla açılır. Evrensel ve ortak uygulama komutları ana sistemin işlevlerinde zaten tanımlıdır.

DD’nin yazıldığı dil EDDL’dir (Electronic Device Description Language); IEC 61804-3 standardına göre bu dille cihaz parametreleri ve bağımlılıkları, simülasyon ve kalibrasyon gibi cihaz işlevleri ve menüler tanımlanır, ortaya çıkan dosyaya EDD denir. Standardın 2020 sürümü, FieldComm Group’un (HART ve FOUNDATION Fieldbus), PNO’nun ve ISA100 WCI’nin EDDL spesifikasyonları birleştirilerek hazırlandı. FieldComm Group’un desteklediği FDI teknolojisi ise FDT ile EDDL’nin üstünlüklerini tek bir çözümde birleştirir. Profibus’taki karşılığı olan GSD dosyası Profibus nedir rehberinde anlatılır.

HART sürümleri ve WirelessHART nedir?

HART, ilk yayımından bu yana üç büyük revizyon geçirdi ve geriye dönük uyumunu korudu; yukarıdaki adres tablosu sürümler arasındaki farklardan birini gösterir. HART 7 ile standarda kablosuz haberleşme eklendi.

WirelessHART, HART cihazları, komutları ve araçlarıyla uyumu koruyarak HART’a kablosuz yetenek kazandıran protokoldür. Ağ örgü (mesh) yapıdadır: her cihaz diğer cihazların mesajlarını iletebilir, böylece mesajın ağ geçidine doğrudan ulaşması gerekmez ve yedek yollar oluşur. Bir WirelessHART ağının üç temel öğesi vardır: kablosuz saha cihazları (WirelessHART’ı içinde taşıyan ya da kurulu bir HART cihazına takılan adaptörlü cihazlar), ana sistemlerle haberleşmeyi sağlayan ağ geçitleri ve ağı yapılandıran ağ yöneticisi. Fiziksel katmanı 2,4 GHz bandında, IEEE 802.15.4-2006 tabanlıdır.

HART ile neler yapılabilir?

HART’ın dijital kanalıyla saha cihazına gitmeden ya da döngüyü açmadan şu işler yapılabilir:

• Uzaktan ayar: Ölçüm aralığının alt ve üst değerleri, birincil değerin birimi, sönümleme süresi ve karekök ya da doğrusal aktarım fonksiyonu değiştirilebilir.
• Teşhis: Öz test sonuçları, sınır dışı alarmlar ve bakım uyarıları okunabilir; her cevapta cihaz durum bilgisi gelir.
• Döngü testi: Transmitter sabit bir akım vermeye zorlanarak döngüdeki diğer elemanların, örneğin kontrol sisteminin analog girişinin, doğru okuyup okumadığı kontrol edilebilir.
• Sıfır ve trim ayarı: Birincil değer sıfır trimi ile analog çıkışın sıfır ve kazanç trimi yapılabilir.
• Kimlik bilgisi: Etiket, açıklama, tarih ve mesaj alanları yazılarak cihaz tesis dokümantasyonuyla eşleştirilebilir.

Control Global sitesindeki yazıya göre bu veriye çoğu zaman yalnız devreye almada, yıllık kalibrasyonda ya da arıza ararken erişilir; HART destekli kontrol sistemleri ve çoklayıcılar onu sürekli kullanmayı sağlar. Ölçüm aralığını yeniden belirleme ile trim ayarı arasındaki fark transmitter nedir rehberinde anlatılır.

HART ile Modbus ve Profibus arasındaki fark nedir?

HART, var olan 4-20 mA döngüsüne dijital bir kanal ekler; Modbus ve Profibus ise baştan dijital haberleşme hatlarıdır.

Özellik	HART	Modbus RTU	Profibus PA
Sinyal ortamı	4-20 mA döngüsünün iki kablosu, FSK	Genellikle RS-485 seri hat	MBP iletimli iki telli veri yolu
Analog 4-20 mA sinyal	Korunur (çok noktalı kipte 4 mA sabit)	Yok	Yok
Hız	1200 bit/s	Hat için seçilir	Sabit 31,25 kbit/s
Bir kablo çiftindeki cihaz	Noktadan noktaya bağlantıda bir; çok noktalı kipte birden çok	Çok sayıda, adres 1-247	Çok sayıda; besleme ve veri aynı kablodan

Modbus’ın çalışma biçimi Modbus nedir, Profibus türleri ve HART cihazlarını Profibus sistemine bağlayan HART on PROFIBUS profili Profibus nedir rehberinde anlatılır.

Befa Proses’in hangi cihazlarında HART seçeneği var?

Befa Proses ürünlerinden HART haberleşme seçeneği sunan modeller şunlardır:

• Debimetre: Elektromanyetik Debimetre BMF2000, Vorteks Debimetre BVFM ve Coriolis Debimetre BCMF3100 (HART ya da RS-485 Modbus); ayrıca Metal Tüp Debimetre BMTF1000 4-20 mA çıkışlı göstergeli sürümlerinde (Ex olan ve olmayan) HART seçeneği sunar.
• Basınç transmitteri: Smart Basınç Transmitteri T2906-G ve Fark Basınç Transmitteri T2906-DP; ikisi de 2 telli 4-20 mA çıkışlıdır ve HART haberleşme seçeneği sunar.

HART, Modbus (RS-485) ve Profibus seçenekleri sipariş seçeneğidir ve modele göre seçilir; bu yüzden teklif isterken cihazın bağlanacağı sistemin hangi haberleşmeyi kullandığı belirtilmelidir. Diğer modeller debimetre ve basınç transmitteri sayfalarında listelenir.

Cihazın montajını ve montajın ardından cihazın çalıştırılıp ilk ayarlarının yapılmasıyla devreye alınmasını sahada üstlenebiliyoruz; ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.