HART 프로토콜의 이해

1. HART 개요

• Highway Addressable Remote Transducer는 HART로 약칭됩니다.
• HART는 1980년대 후반에 나왔으며  아날로그 전화 시스템용 발신자 ID 기술을 기반으로 합니다.
• HART 프로토콜은 아날로그  케이블을 통해 DCS, PLC 또는 핸드헬드 커뮤니케이터와 같은 스마트 또는 지능형 현장 기기 및 제어 호스트 시스템 간에 디지털 정보를 교환하는 표준 방법으로 간주됩니다.
• HART는 양방향 통신 프로토콜입니다. 오늘날의 기술에서 다양한 공정 산업에 설치된 대부분의 지능형 또는 스마트 필드 장치는 스마트 지원을 받습니다.
• 호스트는 기술자의 핸드헬드 장치 또는 데스크톱에서 플랜트의 프로세스 제어 시스템, 자산 관리, 안전 또는 제어 플랫폼을 사용하는 기타 시스템에 이르는 모든 소프트웨어 애플리케이션일 수 있습니다.

 

 

 

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2. HART 프로토콜이란?

• HART 프로토콜은 FSK(Frequency Shift Keying) 방법을 사용하여 4-20mA 위에 낮은 레벨에서 디지털 통신 신호를 중첩합니다.
• HART 커뮤니케이터는 두 개의 동시 통신 채널, 즉 4-20mA의 아날로그 신호와 디지털 신호를 제공합니다.
• 4,20mA의 아날로그 전류 신호는 기기에 전원을 공급하는 케이블을 통해 4-20mA 전류 루프를 사용하여 현장 기기의 경우 기본 프로세스 변수를 전송합니다.
• 그런 다음 호스트 시스템은 HART 소프트웨어에서 정의한 매개변수에 따라 전류 신호를 물리량으로 변환합니다. 예를 들어, 4mA = 섭씨 40도입니다.
• 추가 장치 정보는 아날로그 신호에 중첩된 디지털 신호를 통해 인터페이스됩니다.
• 디지털 신호는 장치 상태, 진단, 추가 측정 또는 계산 값 등과 같은 필드 장치의 정보로 구성됩니다.

 

 

 

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3. HART 통신 프로토콜 사양 및 기능

• HART 통신 프로토콜은 FSK(Frequency Shift Keying) 원리를 사용하여 Bell 202 전화 통신 표준에서 작동합니다.
• 디지털 신호는 비트 1과 0을 나타내며 각각 1,200Hz와 2,200Hz의 두 주파수 값으로 구성됩니다.
• 이 두 주파수의 사인파는 아날로그 및 디지털 통신을 동시에 하기 위해 DC 아날로그 신호 케이블에 중첩됩니다.
• FSK 신호의 평균값은 항상 0이므로 4 - 20 mA 아날로그 신호는 영향을 받지 않습니다.
• 디지털 통신 신호의 응답 시간은 아날로그 신호를 중단하지 않고 초당 최대 2-3 개의 데이터 업데이트입니다
• 통신에 필요한 최소 루프 임피던스는 230옴입니다.
• HART 프로토콜은 스마트 필드 기기와의 양방향 필드 통신을 가능하게 합니다.
• HART 프로토콜은 4-20mA 신호를 방해하지 않고 1200 bps의 속도로 통신합니다.
• HART 프로토콜을 통해 마스터는 스마트 필드 장치에서 초당 더 많은 디지털 업데이트를 받을 수 있습니다.
• 디지털 FSK 신호는 위상 연속적이기 때문에 4-20mA 아날로그 신호와 충돌이 없습니다.
• HART 기술은 마스터/슬레이브 프로토콜로, 스마트 필드 장치라고 하는 슬레이브는 마스터가 말할 때만 말할 수 있습니다.
• HART 프로토콜은 스마트 필드 기기 및 중앙 제어 또는 모니터링 시스템과 정보를 통신하기 위해  지점 간 (point-to-point)과 같은 다양한 모드에서도 사용할 수 있습니다.
• HART 통신은 2개 이상의 HART 지원 장치 사이에만 존재하며, 스마트 필드 장치 및 제어 시스템 또는 모니터링 시스템일 수 있습니다.  통신은 표준 계측 등급 와이어를 사용하고 기존 배선 및 종단 방식을 사용하여 발생합니다.

 

 

 

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4. HART 네트워크 구성

HART 프로토콜은 두 개의 네트워크 구성에서 필드 장치와 디지털 통신을 가능하게 합니다

 

1) Point-to-Point 구성

• 포인트-투-포인트 구성에서는 4-20mA의 기존 아날로그 신호를 사용하여 하나의 프로세스 변수를 전달하지만, 구성 파라미터는 HART 프로토콜로 디지털 방식으로 전송됩니다.
• 여기서 HART 신호는 4 - 20 mA 아날로그 신호에 영향을 미치지 않습니다.
• HART 통신 신호는 작동, 시운전, 유지 보수 및 진단 목적으로 사용되는 보조 변수에 대한 액세스를 제공합니다.

 

 

 

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2) 멀티드롭 구성

• 이 모드는 표준 HART 신호를 전송하기 위해 단일 장치에 대한 선택적 "버스트" 통신으로 구성됩니다.
• 이 모드에서는 모든 프로세스 변수가 디지털 방식으로 전송됩니다.
• 버스트 통신 모드는 일반적으로 포인트-투-포인트 구성으로 제한되는 더 높은 업데이트 속도를 제공합니다.
• 이 멀티 드롭 모드는 해당되는 경우 단일 쌍의 전선, 안전 장벽 및 10개 이상의 필드 장치에 대한 보조 전원 공급 장치만 필요합니다.
• 멀티 드롭 모드의 필드 장치 폴링 주소는 0보다 큽니다.
• 각 기기를 통과하는 전류 신호는 최소 4mA로 제한됩니다.

 

 

 

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5. HART 통신 모드

1) 마스터 슬레이브 모드

• HART는 마스터-슬레이브 통신 프로토콜입니다.
• 각 필드 장치 또는 슬레이브 통신은 마스터 장치에 의해 초기화됩니다.
• 두 개의 마스터 장치를 서로 연결하여 HART 루프를 만들 수 있습니다.
• 일반적으로 프라이머리 마스터는 분산 제어 시스템(DCS), 프로그래밍 가능한 로직 컨트롤러(PLC) 또는 개인용 컴퓨터(PC)일 수 있다.
• 그러나, 2차 마스터는 휴대용 단말기일 수도 있고, 다른 PC일 수도 있다.
• 슬레이브 장치에는 1차 또는 2차 마스터에서 발행된 명령에 응답하는 송신기, 액추에이터 및 컨트롤러와 같은 필드 계측기가 포함됩니다.

 

 

2) 버스트 모드

• 선택적 버스트  통신 모드를 지원하는 일부 HART 커뮤니케이터가 있습니다.
• 버스트 모드를 사용하면 초당 3-4개의 데이터 업데이트로 더 빠른 통신이 가능합니다.
• 버스트 모드에서 마스터는 슬레이브 장치에 프로세스 변수와 같은 표준 HART 메시지를 전송하도록 명령합니다.
• 이 메시지는 슬레이브에게 버스팅을 종료하도록 지시할 때까지 마스터에 의해 더 높은 속도로 수신됩니다.

 

 

 

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6. HART 장치 설명

• 일부 HART 구성자는 DD(Device Descriptions)를 사용하여 프로세스 변수 및 HART 필드 장치 기능에 대한 세부 정보를 수신합니다.
• 이 DD(Device Description)에는 필드 장치와 통신하기 위해 호스트 애플리케이션에 필요한 정보가 포함되어 있습니다.
• HART 장치 설명 언어(DDL)는 장치 설명을 작성하는 데 사용됩니다.
• 장치 설명은 표준 언어로 모든 매개변수와 기능에 대한 자세한 표현을 제공합니다.
• Device Description은 호스트 애플리케이션에 필요한 모든 정보를 하나의 구조화된 파일로 병합합니다.
• 장치 설명은 지원되는 일반 실습 명령과 모든 장치별 명령의 형식 및 구조를 나타냅니다.
• HART 필드 장치에 대한 장치 설명은 컴퓨터 프린터 드라이버와  동일합니다.
• Device Description은 호스트 공급업체가 맞춤형 인터페이스 및 드라이버를 개발하고 지원하도록 합니다.
• HART 장치용 장치 설명 소스 파일은 C 프로그래밍 언어로 작성된 파일과 같습니다.
• 장치 설명 파일은 HCF 등록을 위해 HCF DD 라이브러리로 제출됩니다.
• 사양 적합성을 보장하기 위해 각 DD는 품질 검사에 제출되었습니다.
• HCF DD 라이브러리는 PC 및 핸드헬드 단말기와 같은 호스트 애플리케이션에서 신속하게 사용할 수 있도록 모든 HART DD를 관리 및 배포하는 출처입니다.

 

 

 

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7. HART 프로토콜의 장단점

1) HART 프로토콜의 장점

• 장치 데이터를 더 잘 사용하여 기능 용량을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
• 잠재적인 문제가 발생하기 전에 식별하여 장비 고장으로 인한 중단을 줄입니다.
• 장치 유지 관리 및 재고 비용을 최소화합니다.
• 발생한 문제의 식별과 해결 사이의 시간을 줄입니다.
• 고급 진단을 통해 Safety Integrity Levels를 개선합니다.
• 규정 준수를 위해 기록 보관을 자동화합니다.
• 스마트 장치의 시운전, 교정 및 지속적인 온라인 진단에 활용되는 HART 기술은 사용이 간편하고 매우 신뢰할 수 있습니다
• 장치 진단은 매우 간단합니다.
• 장치 문제 해결은 간단합니다.
• 장치가 제공하는 추가 측정 결과를 읽습니다.

 

2) HART 프로토콜의 단점

• HART에서 디지털 전송이 느리다는 것이 단점입니다.
• HART 멀티 드롭 루프는 한 번에 최대 16개의 HART 장치를 연결할 수 있습니다. 이 경우 아날로그 신호의 값은 항상 4mA가 됩니다.
• 한 순간에는 단일 프로세스 변수만 모니터링할 수 있습니다.
• Profibus 및 Foundation Fieldbus와 같은 다른 Fieldbus 시스템과 비교할 때 이러한 유형의 프로토콜은 약간 느립니다. 따라서 이러한 느린 응답 시간은 일부 산업 응용 분야에서 몇 가지 문제를 일으킵니다.
• 대부분의 경우 HART 프로토콜의 속도는 프로세스 변수가 빠른 속도로 변경되지 않는 한 간단한 모니터링 시스템에서 사용하기에 적합합니다.