HART یا Foundation Fieldbus؟

با توجه به  گسترش سیستم‌های کنترل صنعتی و نیاز روزافزون به تبادل اطلاعات دقیق، سریع و مطمئن، شبکه‌های ارتباطی ابزار دقیق نقش کلیدی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها و سایر صنایع فرایندی ایفا می‌کنند. در این میان، HART  و Foundation  Fieldbus  استانداردهای مهم و کاربردی بوده وهر کدام دارای مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای خاص خود هستند. انتخاب بین این دو مورد، بستگی به نیازهای فنی، زیرساخت موجود، میزان پیچیدگی فرآیند و الزامات مشتری دارد. در این مقاله به بررسی فناوری HART و Foundation Fieldbus می پردازیم  و به تفاوت‌ها و مزایای هر کدام اشاره می کنیم.

معرفی HART

کلمه HART مخفف Highway Addressable Remote Transducer بوده و به عنوان یکی از قدیمی‌ترین و معروف ترین پروتکل‌های ارتباطی در ابزار دقیق شناخته می‌شود. این فناوری در دهه ۱۹۸۰ معرفی شد و هدف اصلی آن اضافه کردن قابلیت‌های دیجیتال به سیستم 4-20 mA بود. در آن زمان استاندارد غالب در صنعت Hart بود  و به‌ شکل  Hybrid کار کرد.  یعنی سیگنال آنالوگ اصلی (4-20 mA) همچنان برقرار است و پیام‌های دیجیتال به ‌صورت سواره بر روی همان سیگنال منتقل می‌شوند.

نحوه کار HART

HART ابرای ارسال داده های دیجیتال از تکنیک FSK استفاده می‌کند. در این روش دو فرکانس 1200 و 2200 هرتز برای صفر و یک منطقی کاربرد دارند، بدون اینکه در اندازه جریان 4-20 mA تغییری به وجود آورند. این ویژگی موجب شده HART همچنان با تجهیزاتی که تنها سیگنال آنالوگ را می‌خوانند، سازگاری داشته باشد.

مزایای HART

Hart به عنوان یکی از پروتکل های ارتباطی در ابزار دقیق، مزیت های زیادی دارد که در ادامه به آنها اشاره می کنیم.

• یکی از مهم ترین مزایای HART ،عدم نیاز به تغییرات اساسی در زیرساخت و سازگاری کامل با تجهیزات آنالوگ موجود است. تقریباً تمام تجهیزاتی که از 4-20 mA استفاده می‌کنند، قابلیت کار کردن با HART را دارند.
• از دیگر مزیت های HART می توان به استفاده و نصب راحت آن اشاره کرد. متخصصان ابزار دقیق سال‌هاست با کابل‌کشی و روش‌های استاندارد 4-20 mA آشنایی دارند. اضافه شدن HART پیچیدگی زیادی در کار آنها ایجاد نکرده و کار را سخت نمی‌کند.
• هزینه پایین راه اندازی HART از دیگر مزیت های این پروتکل محسوب می شود. HART در مقایسه با شبکه‌های دیجیتال پیشرفته مثل  Fieldbus، هزینهٔ راه‌اندازی کمتری دارد.
• در دسترس بودن گسترده تجهیزات از دیگر مزیت های HART تست. تقریباً تمامی برندهای مطرح و معروف دنیا مانند Emerson، Siemens، ABB، Yokogawa و Endress+Hauser نسخه HART تجهیزات خود را ارائه می‌کنند.
• به دلیل ساده بودن HART، در محیط‌های نویزی دارای کارکرد قابل‌قبولی است.

محدودیت‌ها و معایب HART

این پروتکل ارتباطی مهم، با وجود داشتن مزایا، محدودیت هایی هم دارد که به بررسی آنها می پردازیم.

• سرعت پایین انتقال داده یک از محدودیت های HART محسوب می شود. سرعت HART حدود 1200 bps است و این سرعت برای کاربردهای پیچیده یا real-time سرعت مناسبی نیست.
• HART تنها قادر به انتقال داده‌های اندازه ‌گیری، پارامترها و تنظیمات است و نمی تواند کنترل مستقل را اجرا کند. در حقیقت عدم پشتیبانی از کنترل توزیع‌شده (Distributed Control) از معایب دیگر HART است.
• از دیگر معایب HART محدودیت در ارسال هم زمان داده ها است. در حقیقت به دلیل استفاده مشترک از سیگنال 4-20 mA، در حجم داده‌ی دیجیتال محدودیت وجود دارد.
• HART برای معماری های پیشرفته دیجیتال مناسب نیست.  در حقیقت در پروژه‌های بسیار بزرگ که نیاز به کنترل سطح بالاتر دارند، HART  نمی توند گزینهٔ ایده‌آلی باشد.

معرفی Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus یک فناوری کاملاً دیجیتال و پیشرفته است که در دهه ۱۹۹۰ توسط سازمان Field Comm Group گسترش پیدا کرد. این فناوری برخلاف  HART دارای  ریشه دیجیتال است و  می تواند کاملاً جایگزین 4-20 mA شود. به طور کلی  Fieldbus دو نسخه اصلی دارد که در ادامه به آنها اشاره می کنیم.

• H1 با سرعت 31.25 kbps برای فیلد دیوایس‌ها
• HSE (High Speed Ethernet) با سرعت 100 Mbps برای کنترلرها و سیستم‌ های بالا دست

نحوه عملکرد  Fieldbus

فعالیت Foundation Fieldbus بر مبنای گذرگاه اشتراکی (Bus) است. این به این معناست که چندین تجهیز از جمله ترانسمیترها و کنترلرها روی یک کابل مشترک قرار می‌گیرند. این فناوری  قابلیت هایی مانند فریم‌ بندی پیام‌ ها، زمان‌بندی پیشرفته و کنترل توزیع‌ شده دارد.

همچنین برخلاف HART، در Foundation Fieldbus

• فعالیت کل سیستم به صورت دیجیتال است
• تجهیزات می‌توانند بلوک‌های کنترلی داشته باشند
• شبکه می‌تواند عملکرد حلقه کنترل را در لایه فیلد اجرا کند

مزایای Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus به عنوان یکی دیگر از پروتکل های ارتباطی ابزار دقیق دارای مزیت های زیر است.

• در نسخه H1 سرعت بالاتر و ظرفیت داده بیشتر یعنی در حدود 31.25 kbps است و این سرعت ده‌ها برابر سریع ‌تر از HART محسوب می‌شود.
• تجهیزات Fieldbus می‌توانند PID یا سایر الگوریتم‌ های کنترلی را بدون وابستگی مستقیم به DCS انجام دهند. این امر موجب می شود:

1. بار روی سیستم کنترل مرکزی کاهش پیدا کند
2. قابلیت اطمینان افزایش پیدا کند

• تنها با یک کابل می‌توان چندین تجهیز را به شبکه اضافه کرد (فناوری )multi-drop). به این ترتیب کاهش عملیات کابل ‌کشی را می توان از دیگر مزیت های Fieldbus دانست.
• Fieldbus قابلیت ارائه اطلاعات پیشرفتهٔ تشخیصی و مدیریت عیب یابی هوشمند را دارد. این امر برای نگهداری پیشگویانه (Predictive Maintenance) ضروری محسوب می شود.
• استاندارد باز و چند برندی بودن مزیت مهم دیگر Fieldbus به حساب می آید. این فناوری از برندهای مختلف پشتیبانی کرده  و دارای قابلیت تعامل کامل است.

محدودیت‌ها و معایب Fieldbus

Fieldbus هم مانند HART با وجود داشتن مزیت های زیاد، معایبی دارد که در ادامه آنها را بررسی می کنیم.

• برای نصب Fieldbus به ترمینیشن مناسب، Power Conditioner، کابل کشی مخصوص و مدیریت بخش‌بندی شبکه نیاز است. به این ترتیب باید گفت Fieldbus، نصب و راه‌اندازی پیچیده ای دارد.
• تجهیزات، کارت‌های کنترل، کابل‌کشی و ابزارهای پیکربندی Fieldbus در مقایسه با HART هزینه بالاتر و بیشتری دارند.
• برای پیکربندی Fieldbus به مهارت و دانش فنی بیشتری نیاز است.
• با توجه به این که Fieldbus کاملاً دیجیتال است، امکان دارد وجود نویز شدید ارتباط را مختل کند.

مقایسه HART و Foundation Fieldbus

با توجه به مزیت ها و معایبی که برای هر کدام از این دو پروتکل ارتباطی در این مقاله مطرح شد، در ادامه به مقایسه آنها می پردازیم.

• نوع سیگنال HART ترکیبی آنالوگ + دیجیتال بوده در حالی که سیگنال Fieldbus کاملاً دیجیتال و مبتنی بر شبکه است.
• تفاوت دیگر این دو مورد از نظر سرعت داده آنها است. سرعت داده HART خیلی پایین در حالی که سرعت Fieldbus نسبتاً بالا (۳۱.۲۵ kbps) است.
• این دو پروتکل ارتباطی از نظر معماری هم با هم تفاوت دارند. معماری HART نقطه به نقطه ( Point To Point) بوده در حالی که معماری Fieldbus، از نوع شبکه ای همراه با چند تجهیز است.
• HART فاقد کنترل توزیع شده است ولی Fieldbus، PID دارد.
• هزینه های مربوط به HART کمتر است در حالی که Fieldbus هزینه های بیشتری دارد.
• با توجه به ساده تر بودن HART کار با آن راحت تر است ولی Fieldbus سیستم پیچیده تری دارد.
• HART برای اجرای پروژه‌های معمولی، کم ‌ریسک، یا ارتقای سیستم‌های قدیمی گزینه مناسبی است. این در حالی است که Fieldbus برای پروژه‌های بزرگ، هوشمند، دیجیتال و پیشرفته استفاده می شود.

کاربردهای مناسب برای HART

با توجه به ویژگی هایی HART در ادامه به مهم ترین کاربردهای آن اشاره می کنیم:

• در صنایعی با سیستم‌های قدیمی که به ارتقا نیاز دارند
• در پروژه‌هایی که با محدودیت بودجه مواجه هستند
• در تجهیزاتی که دادهٔ کمی تولید می‌کنند
• در سیستم‌هایی که فقط نیاز به تنظیم پارامتر یا واکشی مقادیر دارند
• در صنایع نفت و گاز در بخش نگهداری معمول

کاربردهای مناسب برای Foundation Fieldbus

از مهم ترین کاربردهای Foundation Fieldbus می توان به این موارد اشاره کرد:

• استفاده در کارخانه‌های جدید (Greenfield Projects)
• استفاده در پروژه‌های بسیار بزرگ با حلقه‌های کنترلی متعدد
• استفاده در فرایندهایی که نیاز به کنترل پیشرفته و real-time دارند
• استفاده در مکان‌هایی که مدیریت پیشرفته فرآیند و پایش از راه دور لازم است
• استفاده در صنایع شیمیایی و پتروشیمی با حلقه‌های پیوسته

جمع‌بندی

فناوری‌های HART و Foundation Fieldbus هر دو نقش مهمی در دنیای ابزار دقیق و کنترل فرایند دارند. با این وجود نمی توان آنها را جایگزین یکدیگر کرد و معمولاً با توجه به نیاز پروژه، یکی یا ترکیبی از هر دو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

HART به دلیل سادگی، سازگاری با سیستم‌های قدیمی و هزینه کم همچنان محبوب است. در برابر آن ، Foundation Fieldbus گزینه‌ای برای آینده دیجیتال صنایع محسوب می شود و امکانات پیشرفته‌ تری ارائه می‌دهد ولی به هزینه و تخصص بیشتری نیاز دارد.

در نهایت می توان گفت برای پروژه‌هایی که ارتقا و نگهداری کم‌هزینه در اولویت است، HART بهترین انتخاب است. ولی برای پروژه‌های جدید و پیشرفته که دقت، سرعت، قابلیت‌های هوشمند و کنترل توزیع‌ شده اهمیت بیشتری دارد، Foundation Fieldbus انتخابی حرفه‌ای ‌تر و کارآمد تر به حساب می آید.