Yhdysvaltalainen automaatiovalmistaja Rosemount Inc. kehitti HART-protokollan (Highway Addressable Remote Transducer) 1980-luvun puolivälissä käytettäväksi erilaisten älykkäiden mittalaitteiden kanssa. Se avattiin nopeasti vapaaseen käyttöön, ja vuonna 1990 perustettiin HART-käyttäjäryhmä HUG (HART User Group). Vuonna 1993 protokolla rekisteröitiin tuotemerkiksi ja sen kaikki käyttöoikeudet siirrettiin protokollan hallinnointiin perustetulle HART Communication Foundationille (HCF). Protokolla on avoin ja ilmainen kaikille käyttää ilman lisenssimaksuja (lähde: HCF).

HART on kaksisuuntainen digitaalinen tiedonsiirtoprotokolla automaation kenttälaitteen ja isäntälaitteen välillä. Tiedonsiirron avulla voidaan lukea ja muuttaa kenttälaitteen asetuksia, lukea prosessiarvoja ja seurata laitteen diagnostisia tietoja.

Kaapeloitu HART-protokolla perustuu taajuusmodulointiin, käytössä on Frequency Shift Keyed (FSK)-niminen tekniikka, jolla digitaalinen viesti yhdistetään analogiseen 4–20 mA:n standardiviestiin. Ratkaisun ansiosta langallinen HART-lähetin on yhteensopiva kaikkiin perinteisiin automaatiojärjestelmiin, sillä järjestelmät, jotka eivät tue protokollaa, eivät edes havaitse digitaalista signaalia.

Langaton WirelessHART

Langattoman WirelessHART-protokollan määrittelyt hyväksyttiin HCF:n hallituksessa syyskuussa 2007, ja siitä tuli ensimmäinen virallisesti julkaistu teollisuuden langattoman automaation standardi. WirelessHARTverkko perustuu IEEE 802.15.4 -yhteensopivaan radiotekniikkaan ja käyttää 2,4 GHz:n vapaata taajuuskaistaa. Itseorganisoituvan MESH-verkon jokainen laite voi toimia reitittimenä muille verkon laitteille. Wireless- HART-lähettimillä ei ole analogista mA-signaalia, vaan kaikki informaatio on luettavissa digitaalisesti joko langattomana tai laitteen riviliittimiltä.

Koska lähetin on langaton, sen toimintaenergiaa ei voida syöttää kaapelien kautta, vaan lähettimet perustuvat paristotekniikkaan. Pariston kesto ja viestinnän nopeus ovat kääntäen verrannollisia, joten langattomia lähettimiä käytetään yleisimmin kohteissa, joissa ei edellytetä nopeaa prosessiarvon päivitysväliä. Toisaalta useat prosessit, esimerkiksi lämpötilan säädössä, ovat ns. hitaan vasteajan kohteita, joissa WirelessHART on laajalti käytössä. Käytännössä useimmat WirelessHART-lähettimet ovat käytettävyyteen ja kunnonvalvontaan liittyvissä sovelluksissa sekä vaikeasti kaapeloitavissa kohteissa.

Kaikki olemassa olevat langalliset HARTlähettimet voidaan täydentää langattomaan tiedonsiirtoon lisäämällä niihin langaton HART-adapteri, joita on saatavilla usealta valmistajalta. Jos käytössä oleva automaatiojärjestelmä tukee ainoastaan mA-signaalia, HART-adapterin lisääminen on usein edullisin tapa hyödyntää kaikkia saatavilla olevia lisätietoja HART-laitteilta. Näitä voivat olla esimerkiksi virtaavan aineen tiheys ja lämpötila sekä edistyksellinen diagnostiikka laitteen toimintakunnon jatkuvaan seurantaan.

HART-protokollaan perustuvia kenttälaitteita on maailmanlaajuisesti käytössä yli 30 miljoonaa, ja WirelessHART-standardi tulee edelleen laajentamaan käyttöä. Julkaistut tutkimukset ennustavat, että Wireless- HART-tekniikan käyttö kasvaa merkittävästi seuraavien 10 vuoden aikana

HART-lähettimien kalibrointi

Perinteisessä langallisessa HART-lähettimessä on kaksi ulostuloa, analoginen mA-lähtö ja sen päälle moduloitu digitaalinen HARTlähtö, kuten kuvan 1 lähettimen lohkokaaviosta on havaittavissa. Käytännössä lähes aina käytetään analogista mA-lähtöviestiä. Kalibrointi suoritetaan mittaamalla tarkasti lähettimen tulosignaali ja samanaikaisesti sen analoginen lähtöviesti. Esimerkiksi painelähettimen kalibroinnissa on mitattava yhtäaikaisesti lähettimelle syötetty paine ja sen analoginen lähtöviesti. Mikäli lähettimen kalibroinnissa havaintaan virhettä, voidaan lähettimen viritystä muuttaa HART-protokollan kautta.

Jos haluat kalibroida langallisen HART-lähettimen digitaalisen lähtösignaalin, on käytettävä HART-protokollaa tukevaa laitetta, jolla luetaan digitaalinen lähtöviesti. Se voi olla joko erillinen ohjelmointilaite tai protokollaa tukeva kalibraattori. Myös digitaalisen signaalin viritys voidaan tehdä protokollan kautta.

On hyvä muistaa, että vaikka Wireless- HART-lähettimien lähtösignaali on digitaalinen, se ei muuta tarvetta määräaikaiseen kalibrointiin. Kalibrointi on ainoa keino var mistaa, että laite toimii riittävän tarkasti. WirelessHART-lähettimessä ei ole analogista lähtöviestiä, vaan ainoastaan digitaalinen ulostulo, joka on luettavissa kahdella tavalla. Yksi tapa on lukea lähtösignaali langattomasti, mutta langaton signaali on usein liian hidas kalibrointikäyttöön, sillä se päivittyy ainoastaan ohjelmoidun päivitysvälin mukaisesti, esimerkiksi kerran minuutissa. Lisäksi langattoman signaalin kautta ei lähetintä voi konfiguroida, esimerkiksi virittää.

Kaikissa WirelessHART-lähettimissä on myös liittimet, joiden kautta laitteille asetellaan käyttöönottovaiheessa perusasettelut. Niiden kautta voidaan myös suorittaa konfigurointi sekä lukea lähettimen lähtöviestit. Liittimien kautta voidaan lukea digitaalinen ulostulo riittävän nopeasti, joten kalibrointi tulee suorittaa niiden kautta. Myös langaton HART-lähetin on viritettävissä protokollan avulla kytkeytymällä lähettimeen liittimien kautta.

Kuva 1. Periaatteelliset lohkokaaviot: kaapeloitu ja langaton HART-lähetin.

Kuva 2. Langattoman HART-lämpötilalähettimen kalibrointi.

Kaikki edellä esitetyt kalibroinnit on helpoin suorittaa käyttämällä HART-protokollaa tukevaa kalibraattoria, jolla voidaan yhtäaikaisesti lukea sekä lähettimen sisääntuloettä lähtöviesti, molemmat sekä analogisena että digitaalisena. Kuvassa 2 on esitetty tyypillinen kalibrointitapahtuma.

On hyvä muistaa, että lähettimen konfigurointi ja kalibrointi ovat kaksi eri asiaa. Lähettimen asetuksia ja konfigurointia voidaan muuttaa kommunikaattorilla, mutta se ei ole kalibrointia, eikä se varmista lähettimen tarkkuutta. Todelliseen metrologiseen kalibrointiin tarvitaan aina tarkka jäljitettävä referenssilaite (kalibraattori), jonka avulla todetaan lähettimen tulon ja lähdön suhde, eli todetaan toimiiko lähetin tarkasti.

Käytännön esimerkki

Kuvan 2 langaton HART-lämpötilalähetin on konfiguroitu mittaamaan Pt100-anturin avulla lämpötilaa. Kalibraattori voi simuloida anturia ja lukea samanaikaisesti lähettimen mittaaman prosessiarvon. Kalibraattori voidaan ohjelmoida askeltamaan esimerkiksi mitta-alue 0–200 °C 25 %:n välein ylös. Muutoksen jälkeen odotetaan 10 sekuntia jokaisessa vaiheessa, jotta mittaus ehtii asettua. Kalibrointivaiheessa kannattaa lähettimen vaimennus asettaa minimiarvoon. Kalibroinnin hyväksymisrajaksi on määritelty 0,5 % täydestä alueesta.

Kalibrointi suoritetaan täysin automaattisesti alusta loppuun. Kun kalibrointi on valmis, kalibraattori kertoo, onko kalibrointi hyväksytty vai hylätty. Kalibrointitiedot voidaan tallentaa kalibraattorin muistiin. Myöhemmin ne voidaan siirtää kalibrointien hallintaohjelmistoon tallennettavaksi tietokantaan ja tarvittaessa myös tulostaa kalibrointitodistus (Kuva 3).

Mikäli asetettu virheraja ylitetään, kalibrointitulos ei ole hyväksyttävä. Tässä tapauksessa on suoritettava lähettimen viritys. Se voidaan suorittaa kalibraattorin ohjaaman metodin mukaisesti, jolla saatetaan lähetin riittävään tarkkuustasoon.

Kuva 3. Lämpötilalähettimen kalibrointitodistus.

Langattomat HART-lähettimet ovat yleistymässä vauhdilla. Myös nämä lähettimet on luonnollisesti kalibroitava, jotta varmistetaan niiden tarkkuus. Kalibrointi ei ole kuitenkaan sen mystisempi asia, vaan siihen löytyy jo tänään helppo ja tehokas ratkaisu. Joten langattomien HART-lähettimien käyttöönottoa ei tulisi pelätä ainakaan sen takia, miten niiden elinkaarenaikainen ylläpito hoidetaan.

Heikki Laurila

Beamex Oy Ab

heikki.laurila@beamex.com