モノのインターネット（IoT）が主流になるずっと前から、2台のマシン（またはその中のコンポーネント）を相互に通信させることの利点は、産業オートメーションおよび制御の専門家にとって明らかなものでした。モータードライブリレーなどを制御するために測定値を送信するクランクシャフトの中心にある温度センサーの値は明確であり、それを達成するために使用された通信プロトコルの1つはHARTプロトコルでした。
HARTプロトコルは、それに基づいて世界中に3,000万を超えるデバイスがインストールされており、産業オートメーションで最も人気のあるプロトコルと見なされています。本日の記事では、HARTプロトコルが特別な理由について概説します。その機能、アプリケーション、およびWirelessHARTのようなアップグレードされたバージョンを調べます。
概要概要
Highway Addressable Remote Transducer（HART）プロトコルは、スマートデバイスと制御システム間のアナログ配線を介してデジタル情報を送受信するために産業オートメーションで使用される最も人気のあるオープン通信プロトコルの1つです。このプロトコルは、RS485やイベントなどのシリアル通信プロトコルの進歩であり、業界でも広く使用されています。
これは、1980年代にエマソンによって独自の通信プロトコルとして開発され、1つのパラメータまたは測定値しか送信できなかった既存の4〜20mA通信プロトコルの欠陥に対処しました。 HARTを使用すると、産業オートメーションの取り組みにより、4〜20mAの欠点を修正する双方向通信を実現できますが、HARTプロトコルは歪みや干渉なしにアナログ信号に重ね合わせてデジタル信号を送信できるため、インフラストラクチャも維持できます。
上記の効果は、4〜20mAのアナログ信号とデジタル信号の2つの同時通信チャネルの作成です。この組み合わせが、プロトコルがハイブリッドプロトコルと呼ばれる理由です。計装デバイスなどの一般的なアプリケーションでは、4〜20mAの信号を使用して一次測定値を送信し、重ね合わせたデジタル信号を使用して情報を送信できます。
4〜20mAベースのデバイスのサポートは、企業がレガシーハードウェアを引き続き使用できることを意味しました。これは、プロトコルが「オープン」になるとともに、業界の事実上の標準になるまで、プロトコルの採用レベルを高くしました。
HART通信プロトコルの動作
HART通信は、2つのHART対応デバイス、通常はスマートフィールドデバイスと制御または監視システムの間で発生します。前述のように、プロトコルに基づくデバイスは、既存の4〜20mAアプローチを使用してアナログ信号を送信し、Bell 202周波数シフトキーイング（ FSK）標準。
FSK手順では、送信されるデータのビット（それぞれ1と0）を表す2つの周波数（通常は1200Hzと2200Hz）の正弦波を重ね合わせます。FSKを使用すると、2つの周波数の平均値が常にゼロになり、アナログ信号がデジタル信号の影響を受けないようになります。
ネットワーク構成モード
さまざまなアプリケーションのニーズを満たすために、HARTプロトコルに基づくデバイスは2つの主要なモードで動作するように構成できます。
- ポイントツーポイントモード
- マルチドロップモード
1.ポイントツーポイントネットワークモード
ポイントツーポイントモードでは、4〜20 mAの電流とデジタル信号の両方を使用してマスターとスレーブ間でメッセージを伝達できるように、デジタル信号が4〜20mAのループ電流にオーバーレイされます。これは、監視、保守、および診断の目的で使用できるプロトコルの典型的なアプリケーションを表しており、制御信号はプロトコルのアナログ半分を介して送信され、デジタル信号を介して交換されます。図ポイントツーポイントネットワーク構成は以下の画像で提供されます。
2.マルチドロップネットワークモード
マルチドロップネットワーク構成モードでは、i2cのようなアドレスベースのプロトコルと同様の方法で、複数のデバイスを同じワイヤペアに接続できます。マルチドロップモードでの通信は、各デバイスを流れる電流がデバイスの動作に十分な最小値（通常は4mA）に固定されているため、アナログループ電流を介した通信が無効になるため、完全にデジタルです。マルチドロップネットワーク構成は、通常、タンクファームやパイプラインのように間隔が広い監視制御アプリケーションで使用されます。マルチドロップネットワーク構成は、以下の画像に示されています。
通信モード
一般に、HARTプロトコルに基づく通信では、ネットワーク内の1つのデバイス（通常は分散制御システムまたはPLC）をマスターとして指定する必要があり、他のデバイス（通常はセンサーやアクチュエーターなどのフィールドデバイス）をスレーブとして指定します。
ただし、スレーブがマスターと通信する方法は、ネットワークが構成されている通信モードによって異なります。HARTプロトコル準拠デバイスのネットワークは、次の2つのモードで通信するように設定できます。
- 要求/応答通信モード
- バーストモード
1.要求/応答通信モード
要求/応答通信モードでは、スレーブデバイスはマスターデバイスから要求が発行された場合にのみ情報を送信します。このモードには、特に通信速度の低下（1秒あたり2〜3回のデータ更新）という欠点がありますが、プロトコルをシンプルで効果的で実装しやすい状態に保つのに役立ちます。
2.バーストモード
アプリケーション要件の変動に対応するために、プロトコルには「バースト」モードと呼ばれる別の通信モードがあります。このモードでは、スレーブデバイスは、マスターからの繰り返しの要求を必要とせずに、単一の情報を継続的に送信できます。このモードは、1秒あたり最大3〜4回の更新でより高速な通信速度を提供し、通常、HARTループからの通信をリッスンするために複数のHARTデバイスが必要なシナリオで使用されます。
ほとんどの産業用アプリケーションに必要な外部監視を可能にするために、両方の通信モードは、プライマリおよびセカンダリとして定義された最大2つのマスターをサポートします。上の画像に示されているように、プライマリマスターは通常、メインの制御/監視システムですが、セカンダリマスターは通常、ハンドヘルド端末（別名HARTコミュニケーター）のようなデバイスであり、HARTループに短時間しか接続されません。
利点
そのクラスの他のものに対するHARTプロトコルのいくつかの利点は次のとおりです。
1.双方向通信
たとえば、4〜20mAのアナログ信号を使用すると、一方向（送信機から受信機）にのみ情報を流すことができます。HART Communicationを使用すると、データは両方向に移動できます。
2.新しいタイプの情報
4〜20mAのような従来の通信チャネルでは、検証の余地のない単一のプロセス変数のみの通信が可能ですが、HARTを使用すると、プロセス変数とともに最大40の追加情報を取得できます。
HARTベースのデバイスから収集できる追加情報の例には次のものがあります。
- デバイスステータスと診断アラート
- プロセス変数と単位
- ループ電流と％範囲
- 基本的な構成パラメーター
- メーカーとデバイスタグ
この追加情報の組み合わせを使用して、HARTデバイスは、構成または操作に関する問題をマスター/ホストデバイスに自己報告できます。これは定期的な検査の必要性を減らすのに役立ち、予知保全に非常に役立つ可能性があります。
3.多変数デバイス
デジタルモードでは、1対のワイヤで複数の変数を処理できます。たとえば、1つの送信機で複数のセンサーからの入力を処理できます
4.ベンダーの独立性
HARTに関連するすべてのものは、EmersonによってHART Communications Foundationに引き渡されました。そのような標準はオープンであり、1つのベンダーに固有のものではないためです。これは、限定されたベンダー固有または地域の「標準」に縛られる危険がないことを意味します。
5.供給の幅
HARTは現在、プロセス業界で最も広くサポートされているプロトコルと見なされています。非常に人気があるため、産業用デバイスがHART互換である確率はほぼ1です。
6.相互運用性
HART準拠のデバイスとホストシステムは、ベンダー、モデル、およびネットワークを悩ませているその他の互換性/相互運用性の問題に関係なく、連携して動作できます。HARTデバイスからのデジタル情報を処理するように設計されていないホストデバイスでも、4〜20mAのアナログ信号を介した通信とある程度の相互運用性があります。
WirelessHART
HARTプロトコルは、テクノロジーの進歩とユースケースの高度化に伴い、長年にわたって進化してきました。その進化の最近の製品の1つは、WirelessHARTと呼ばれる新しいテクノロジーであり、HART情報のワイヤレス送信でまったく新しい可能性を提供しています。
これは、プロセス自動化の分野で最初の標準化された（IEC62591）無線通信プロトコルです。通常のHARTプロトコルとは異なり、この段階では、接続ケーブルが使用されていないためアナログ通信が提供されないため、デジタル信号を介した通信のみがサポートされます。
現在、次の2つの異なるWirelessHARTソリューションがあります。
- 既存のHARTデバイスを拡張するためのWirelessHARTアダプター
- セルフパワーのWirelessHART送信機。
WirelessHARTは、既存の有線機器で使用して、以前は機器に取り残されていた膨大な量の情報を収集できます。また、配線コストなしで新しい測定および制御ポイントを展開するための費用効果が高く、シンプルで信頼性の高い方法を提供します。