HART czy Foundation Fieldbus?

Czy inżynierowie projektujący przemysłową sieć komunikacyjną, szczególnie pomiarową, skazani są na wykorzystanie protokołu HART? Oczywiście że nie – mogą wybierać spośród wielu innych protokołów, takich jak np. Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus, czy wręcz rozwiązań opracowanych przez firmy zupełnie niezależne – np. Honeywell, Foxboro czy Elsag-Bailey. Możliwe jest jednak, że HART jest w niektórych aplikacjach protokołem najlepszym z dostępnych. Na pewno jest unikalny pod względem otwartości i połączenia jednoczesnej wymiany informacji w postaci cyfrowej i analogowej.

W licznych środowiskach inżynierskich rozgorzała swojego czasu poważna dyskusja o wyższości protokołu Foundation Fieldbus nad HART i odwrotnie. Powstały nawet kompleksowe opracowania porównawcze, recenzje i zestawienia obu konkurencyjnych technologii. Głos w tej sprawie zabrali także prezesi obu organizacji, które powołały do życia i sprawują opiekę nad swoimi protokołami. Korzystając z tych wypowiedzi warto się przyjrzeć protokołom komunikacyjnym poprzez punkt odniesienia do konkurencyjnych technologii.

Jednym z głównych zarzutów wobec protokołu HART jest jego niska szybkość transmisji, która wynosi zaledwie 1,2kb/s. Foundation Fieldbus (FF) w tej kategorii osiąga ponad 20-krotnie lepsze wyniki. Należy jednak pamiętać, że protokół HART powstawał w latach 80. zeszłego wieku, kiedy jego szybkość transmisji uznawana była za dużą. Jednocześnie jej zmiana nie jest obecnie prosta, gdyż poważnym ograniczeniem jest konieczność zachowania kompatybilności wstecznej protokołu. Mimo to próby takie są podejmowane, również przez prywatne firmy. Przykładowo Analog Services opracowała propozycje modyfikacji protokołu tak, aby zwiększyć jego prędkość transmisji nawet czterokrotnie.

HART, jak już wspomniano, jest typowym protokołem typu master-slave. FF różni się pod tym względem i umożliwia komunikację między dwoma dowolnymi urządzeniami w sieci. Pozwala to zastosować różne algorytmy diagnostyczne, które wymagają wymiany informacji między wszystkimi przyrządami instalacji. Z kolei w układach zabezpieczających SIS (Safety Instrumented Systems) przewaga HART jest niezaprzeczalna, gdyż rozwiązania tego typu wykorzystujące FF nie są obecnie dostępne.

Foundation Fieldbus opracowany pod koniec XX wieku jest protokołem nowoczesnym i zaawansowanym. HART powstał niemal trzy dekady temu i od tamtej pory jest sukcesywnie ulepszany i rozwijany, przez cały czas utrzymując kompatybilność wsteczną. Paradoksalnie właśnie długa historia protokołu jest też jego wielkim atutem.

Wiele zakładów przemysłowych nie jest gotowych na wymianę całej swojej infrastruktury, a HART świetnie nadaje się do wkomponowania do istniejących rozwiązań opartych na pętli prądowej 4÷20mA, których w przemyśle nie brakuje. Ważna jest też kwestia opłacalności wdrożeń. Biorąc pod uwagę fakt, że instalacja FF niesie za sobą nie tylko wymianę oprzyrządowania i okablowania, ale także konieczność szkoleń oraz dogłębną analizę ryzyka inwestycji, zwykle okazuje się, że wybór pierwszego z omawianych protokołów jest decyzją rozsądniejszą. Oczywiście przy tworzeniu nowych zakładów i całkowitej modernizacji istniejących skorzystanie z nowoczesnego, bogatego w różne przydatne opcje protokołu FF wydaje się być lepszym rozwiązaniem.

(źródło: StatoilHydro) Case study: bliski krewny WirelessHART już w użyciu źródło: StatoilHydro Firma Emerson Process Management, oprócz czynnego udziału w pracach nad powstaniem standardu WirelessHART i oferowania jako jedna z pierwszych urządzeń tego typu, rozwinęła również własną technologię komunikacji bezprzewodowej z urządzeniami pomiarowymi – SmartWireless. Technologia ta bazuje na pewnych założeniach standardu WirelessHART, a jej pierwsze wdrożenie miało w zeszłym roku miejsce na norweskiej platformie wiertniczej firmy StatoilHydro. Problem: Wdrożenie technologii bezprzewodowej na omawianym obiekcie budziło wiele obaw, szczególnie gdy brało się pod uwagę niekorzystne dla działania sieci otoczenie, na które składa się mnóstwo elementów metalowych, takich jak rury, zbiorniki itp. Trudnością była też konieczność integracji z zewnętrznym systemem gromadzenia informacji. źródło: StatoilHydro Rozwiązanie: Na platformie do sieci podłączono 22 czujniki ciśnienia firmy Rosemount. Dziesięć z nich przeznaczonych było do mierzenia ciśnienia w pierścieniach głowicy odwiertu, a pozostałych dwanaście do monitorowania ciśnienia wejściowego oraz spadku ciśnienia na wymienniku ciepła. Brama sieci zainstalowana została poza obszarem procesu wydobywczego, a każde urządzenie przesyłało dane pomiarowe bezpośrednio do sterowni. Wnioski: Zgodnie z komentarzami przedstawicieli StatoilHydro, wdrożenie technologii SmartWireless zakończyło się sukcesem. Po uruchomieniu urządzenia pomiarowe połączyły się z urządzeniami nadrzędnymi, tworząc szkielet sieci. Kolejne dodawanie urządzeń przebiegało sprawnie, poziom sygnału radiowego na obszarze obiektu był wysoki. Inżynierowie podkreślali dobre rezultaty pracy sieci oraz łatwość jej rozbudowy (dołączenie nowego urządzenia zajmuje czas liczony w minutach lub godzinach, a nie dniach, jak to ma miejsce w przypadku urządzeń komunikujących się za pomocą kabla). Firma planuje wdrożenie stosowanego rozwiązania również na innych swoich platformach wiertniczych.

WirelessHART – nowe możliwości

Plany opracowania nowej, bezprzewodowej wersji protokołu HART pojawiały się w mediach już od pewnego czasu. Data ogłoszenia przez organizacje HCF oficjalnej jego specyfikacji była też wielokrotnie przekładana i po długim czasie prac, we wrześniu 2007 roku światło dzienne ujrzała siódma wersja protokołu – WirelessHART. Protokół ten bazuje na standardzie IEEE 802.15.4 wykorzystującym do komunikacji częstotliwość 2,4GHz. Stosowanie ciągłej zmiany kanałów (channel hopping) oraz stałych przedziałów czasowych do komunikacji ma zapewnić bezpieczną i niezawodną wymianę danych.

Możliwość bezprzewodowej komunikacji urządzeń zapewnia dużą elastyczność i swobodę montażu czujników oraz przyrządów, nie jest również wymagana konfiguracja sieci. Jeśli firma zdecyduje się wykorzystać możliwości inteligentnych czujników podłączonego do pętli 4-20mA, może to zrobić dokują do sieci WirelessHART odpowiedni adapter radiowy, który monitoruje sygnał przesyłany w pętli prądowej, a odczytane informacje cyfrowe przesyła za pośrednictwem bramy do urządzenia nadrzędnego.

Każda sieć oparta na WirelessHART musi składać się z przyrządu nadającego dane bezprzewodowo, bramy odbierającej te dane oraz urządzenia nadrzędnego, do którego owe dane są ostatecznie przekazywane. Jeśli do sieci podłączonych jest kilka przyrządów wysyłających informacje, każde z nich może też pełnić funkcję routera, więc komunikaty nie muszą być koniecznie przesyłane bezpośrednio od urządzenia do bramy, lecz mogą być przekazywane do kolejnego urządzenia. Dzięki temu zasięg sieci rośnie, a do przekazania pakietu wybierana jest najbardziej optymalna trasa. Jeśli któraś z tras z jakichkolwiek powodów przestanie być dostępna, urządzenia mogą skierować pakiety na inną trasę.

Twórcy siódmej wersji HART położyli również nacisk na bezpieczeństwo danych. Wykorzystuje się tutaj 128-bitowe kodowanie, a dla sprawdzenia poprawności przesłanych danych stosowana jest ich weryfikacja (message integrity codes). Klucze szyfrujące zmieniane są dynamiczne, co jest kolejnym elementem zabezpieczającym sieć przed niepowołanym dostępem. Ponadto każde urządzenie chcące uzyskać dostęp do sieci, najpierw musi uzyskać stosowną autoryzację.

Urządzenia w sieci mogą być zasilane, jeśli jest taka możliwość, z pętli prądowej 4÷20mA, konwencjonalnej sieci zasilającej. Obydwa te rozwiązania są jednak w pewien sposób sprzeczne z ideą technologii WirelessHART, dlatego najlepsze wydaje się zasilanie bateryjne lub też nawet – co jest w pełni możliwe – zasilanie energią słoneczną.

Ze względu na ostatnie dwa przypadki w protokole HART 7 postanowiono minimalizować zużywaną przez przyrządy energię elektryczną. W tym celu opracowano mechanizm Smart Data Publishing, który zapewnia transmisję danych do urządzenia nadrzędnego tylko wtedy, gdy wartość zmiennych procesowych uległa zmianie bądź wystąpiło żądanie użytkownika. Dodatkowo dostępna jest też funkcjonalność oparta o zdarzenia – przyrząd nawiąże komunikację z urządzeniem nadrzędnym, gdy wystąpi określone zdarzenie.

Podsumowanie

Protokół HART, pomimo sceptycznych prognoz niektórych ekspertów branży, nadal istnieje i jest ciągle ulepszany. W porównaniu z innymi protokołami jest on prostszy oraz stosowany w bardzo wielu urządzeniach i przyrządach pomiarowych. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że nie ma takiego procesu, dla którego nie da się dobrać urządzenia zgodnego z HART.

Tym, co zaważyło na popularności HART, był prawdopodobnie fakt, że jego warstwa fizyczna opiera się na pętli prądowej 4÷20mA. Było to powodem dla którego wiele zakładów przemysłowych stosujących stary, sprawdzony rodzaj komunikacji wykorzystujący pętlę prądową, zdecydowało się zastosować HART, co odbyło się bez konieczności wymiany istniejącego wyposażenia i okablowania.

Trudno z kolei przewidzieć kiedy nastąpi popularyzacja technologii WirelessHART. Obecnie dopiero powstają pierwsze jej wdrożenia, a na rynku są jedynie nieliczne przyrządy zgodne z tą wersją protokołu. Z pewnością jednym z głównych kryteriów przesądzających o sukcesie WirelessHART będzie cena urządzeń, która jednakże z całą pewnością będzie większa niż w przypadku starszych wersji protokołu. Tak czy inaczej nowa możliwość bezprzewodowej komunikacji na pewno nie przyczyni się do spadku popularności technologii HART.

Mateusz Kosikowski