HART Communication บน 4-20 mA: หลักการทำงานและสาเหตุที่ต่อไม่ติด

Transmitter วัดความดันบนสกิดที่ผลิตในญี่ปุ่น อ่านค่าบน DCS ได้ปกติ สัญญาณ 4–20 mA นิ่ง และค่าตรงกับเกจที่หน้างาน แต่พอเอา HART communicator ไปต่อเพื่อดู range กลับขึ้นว่า "No device found"

ปัญหาคือ analog loop ที่ใช้งานได้ ไม่ได้พิสูจน์ว่า HART จะผ่านได้ HART แบบใช้สายจะซ้อนสัญญาณดิจิทัลขนาดเล็กไว้บนกระแส 4–20 mA กระแส DC ยังส่งค่าที่วัดเหมือนเดิม ส่วนสัญญาณดิจิทัลให้ host อ่าน tag, range และข้อมูล diagnostics ของอุปกรณ์ รวมถึงแก้ค่าตั้งได้ ผ่านสายคู่เดิม

บทความนี้อธิบายว่าสัญญาณนั้นซ้อนอยู่บนลูปอย่างไร ทำไม HART ต้องมีโหลด 250 Ω (หรือใกล้เคียง) และคำนวณแรงดันที่เหลือให้ Transmitter อย่างไร จากนั้นไล่ขั้นตอนหาสาเหตุตามลำดับ และจบด้วยเช็กลิสต์กับคำถามที่ส่งถึงซัพพลายเออร์ญี่ปุ่นได้ทันที

สารบัญ

1. HART เพิ่มอะไรให้ลูป 4–20 mA
2. FSK ซ้อนบนลูปอย่างไร: 1200 Hz, 2200 Hz และ 1200 bit/s
3. สิ่งที่ HART ให้ได้ (และสิ่งที่ไม่ได้ให้)
4. ข้อจำกัดของ HART แบบมีสาย
5. ตัวต้านทาน 250 Ω และงบแรงดันของลูป
6. Point-to-Point กับ Multidrop
7. HART ต่อไม่ติด? ตรวจตามลำดับนี้
8. เช็กลิสต์ก่อนต่อ Communicator
9. คำถามถึงซัพพลายเออร์ญี่ปุ่น
10. ข้อจำกัดของบทความนี้
11. คำถามที่พบบ่อย
12. แหล่งอ้างอิง

HART เพิ่มอะไรให้ลูป 4–20 mA

HART ย่อมาจาก Highway Addressable Remote Transducer เทคโนโลยีนี้เริ่มจาก Rosemount แล้วกลายเป็นมาตรฐานเปิดที่ผู้ผลิตหลายรายใช้ ปัจจุบัน FieldComm Group ดูแลข้อกำหนดและขึ้นทะเบียนอุปกรณ์

ถ้าใช้คำว่า "fieldbus" ในความหมายกว้าง คือการสื่อสารระดับ field ระหว่างเครื่องมือวัดกับระบบควบคุม HART ก็นับเป็นหนึ่งในนั้น FOUNDATION Fieldbus ส่งข้อมูลทั้งหมดแบบดิจิทัล แต่ HART เก็บสัญญาณแอนะล็อกไว้และเพิ่มการสื่อสารดิจิทัลซ้อนบนสัญญาณนั้น ความต่างนี้ทำให้วิธีจัดการสัญญาณและโครงสร้างระบบไม่เหมือนกัน

ตัวควบคุมอ่านค่าที่วัดจากอินพุต 4–20 mA ธรรมดาได้โดยไม่ต้องรองรับ HART แต่ถ้าจะใช้ HART ต้องมีอุปกรณ์ที่คุยกับ Transmitter ได้ด้วย ดังนี้

• I/O card ที่รองรับ HART, HART modem หรือ handheld communicator
• Host สำหรับงานซ่อมบำรุง เช่น ซอฟต์แวร์ asset management
• ไฟล์นิยามอุปกรณ์ (device definition files) ที่ตรงกับอุปกรณ์ (อธิบายในหัวข้อการตรวจสอบ)

บางโรงงานจัดการค่าตั้งและสถานะอุปกรณ์ในตัว DCS เอง บางโรงงานใช้ระบบซ่อมบำรุงแยกต่างหาก

จะใช้ข้อมูลไปทำอะไร เป็นตัวกำหนดว่าต้องมีอุปกรณ์อะไรบ้าง

HART ยังเป็นคนละประเภทกับสัญญาณ I/O แบบ discrete เช่น DI และ DO สัญญาณหน้าสัมผัสมีแค่ ON หรือ OFF ส่วน HART เป็นโปรโตคอลที่ส่งรายการข้อมูลพร้อมค่าระหว่าง host กับอุปกรณ์

รูปที่ 1 แสดงการต่อแบบมีสายทั่วไป ได้แก่ Transmitter 2 สาย แหล่งจ่าย 24 V และโหลด 250 Ω ตัว communicator ต่อแบบขนาน ไม่ได้ต่ออนุกรมเหมือนแอมมิเตอร์

รูปที่ 1: HART communicator ต่อแบบขนาน ณ จุดที่คู่มือกำหนด

ตัวอย่างที่ใช้ Transmitter 2 สายและโหลดรับสัญญาณ 250 Ω ตัว communicator ไม่ได้ต่ออนุกรมกับลูปแบบแอมมิเตอร์

ขั้วบวก/ลบในรูปเป็นไปตามทิศทางกระแสที่วาด ไม่ได้แสดงอุปกรณ์ป้องกัน ชีลด์ และการต่อลงดิน จุดต่อและโหลดที่ต้องการจริงให้ดูจากคู่มืออุปกรณ์และ loop diagram

ตัว communicator ส่งคำขอไปที่อุปกรณ์ แล้วอ่านคำตอบจากสัญญาณบนลูป นอกจาก handheld โดยเฉพาะ ยังใช้พีซีที่ต่อ HART modem หรือโมดูล I/O ที่รองรับ HART ได้

รูปแบบพื้นฐานคือ request และ response ฝั่ง host (master) ส่งคำสั่ง แล้วอุปกรณ์ตอบกลับด้วยค่าที่วัด ค่าตั้ง หรือสถานะ HART ให้มี master ได้ 2 ตัวในลูปเดียว คือ primary master ซึ่งมักเป็นระบบควบคุม และ secondary master เช่น handheld หรือโน้ตบุ๊กที่หน้างาน

FSK ซ้อนบนลูปอย่างไร: 1200 Hz, 2200 Hz และ 1200 bit/s

HART แบบมีสายใช้ frequency shift keying (FSK) ตามมาตรฐาน Bell 202 โทน 1200 Hz แทนบิต 1 และโทน 2200 Hz แทนบิต 0 สัญญาณมีขนาดเล็ก ประมาณ ±0.5 mA รอบกระแสลูป

อย่าสับสนระหว่างความถี่กับความเร็วข้อมูล Hz นับจำนวนรอบคลื่นต่อวินาที ส่วน bit/s นับจำนวนบิตต่อวินาที HART แบบมีสายทำงานที่ 1200 bit/s ไม่มี "ช่วงความเร็ว 1200–2200 bit/s" แม้ตัวเลขจะดูคล้ายกัน

รูปที่ 2 แยกสองเรื่องนี้ออกจากกัน คือค่าเฉลี่ย DC ที่ส่งค่าที่วัด กับความถี่ของโทนที่ส่งข้อมูล

รูปที่ 2: ค่ากระแสเฉลี่ย กับความถี่ของสัญญาณข้อมูล

ด้านบน: สัญญาณ AC เล็ก ๆ ซ้อนบนระดับ DC ตัวอย่าง 12 mA (ไม่ใช่มาตราส่วนจริง) ด้านล่าง: จำนวนรอบของแต่ละโทนในช่วงเวลา 2.5 ms เท่ากัน ซึ่งไม่ใช่ความยาวของหนึ่งบิต

1200 Hz × 0.0025 s = 3 รอบ และ 2200 Hz × 0.0025 s = 5.5 รอบ ตัวเลขทั้งสองไม่ใช่ความเร็วข้อมูล 1200 bit/s

โทนทั้งสองมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์ จึงไม่ดันค่า DC ให้เปลี่ยน และสัญญาณแอนะล็อกยังใช้งานได้ ฝั่งรับมีวงจรแยกกัน วงจรหนึ่งรับระดับ DC เพื่อวัดค่า อีกวงจรรับโทน AC เพื่อสื่อสาร

ให้ตรวจการอ่าน HART กับการแปลงกระแสเป็นค่าที่วัดแยกกัน ถ้า range ของ analog input ใน DCS ไม่ตรงกับ range ของ Transmitter ค่าที่แสดงจะผิด แม้กระแสจะถูกต้อง

สิ่งที่ HART ให้ได้ (และสิ่งที่ไม่ได้ให้)

ข้อดีหลักคือเข้าถึงข้อมูลอุปกรณ์ที่กระแสอย่างเดียวส่งไม่ได้ โดยไม่ต้องเดินสายใหม่ จากเครื่องมือซ่อมบำรุงเครื่องเดียว ตรวจ range, หน่วย, tag และสถานะอุปกรณ์ได้ในที่เดียว

ข้อมูลที่อ่านได้ขึ้นกับอุปกรณ์ เช่น เซนเซอร์อุณหภูมิแบบ dual-element มีองค์ประกอบวัด 2 ตัว แต่ไม่จำเป็นต้องมีเอาต์พุตกระแส 2 ช่อง

ตัวแปรและ diagnostics ที่อ่านผ่าน HART ได้ ขึ้นกับการตั้งค่าอินพุตของ Transmitter และฟังก์ชันที่รองรับ

รูปที่ 3 เปรียบเทียบสิ่งที่ได้จากอินพุต 4–20 mA ธรรมดา กับสิ่งที่ HART เพิ่มให้

รูปที่ 3: กระแสส่งค่า ส่วน HART ส่งข้อมูลอุปกรณ์

ถ้าอยากใช้ข้อมูลที่อุปกรณ์ HART มี ฝั่ง host ก็ต้องรองรับข้อมูลนั้นด้วย

หัวข้อ	อินพุต 4–20 mA ธรรมดา	ตัวอย่างสิ่งที่ HART เพิ่มให้
ค่าที่วัด	แปลงกระแสเป็นค่าตาม range ที่ตั้ง	ค่าดิจิทัล หน่วย และสถานะ
การระบุอุปกรณ์	เทียบกับแบบ หมายเลขขั้ว และป้ายหน้างาน	Tag, ชนิดอุปกรณ์, serial number เป็นต้น
Range	ตรวจค่าตั้งฝั่งรับและหน้างานทีละจุด	อ่านค่า range ต่ำสุดและสูงสุดจากอุปกรณ์
เบาะแสด้านซ่อมบำรุง	กระแสผิดปกติและการตรวจที่หน้างาน	สถานะอุปกรณ์ ตัวแปรเพิ่มเติม และ diagnostics
สิ่งที่ฝั่งรับต้องมี	Analog input	Host ที่รองรับ เส้นทางสื่อสาร และไฟล์นิยามอุปกรณ์

ไม่ใช่ทุกอุปกรณ์ที่ให้ข้อมูลครบหรือในรูปแบบเดียวกัน สิ่งที่ได้ขึ้นกับรุ่น revision และสิ่งที่ host รองรับ

ตอน commissioning ให้จับคู่ tag ที่หน้างานกับจุดวัดตามแบบ แล้วตรวจหน่วยและ range การอ่านค่าตั้งด้วยเครื่องมือ HART แล้วส่งออกเป็นรายการ ช่วยลดงานจดมือ

ตัวอย่าง: กระแสถูก แต่ค่าที่แสดงผิด

สมมติ Transmitter ตั้งไว้ 0–1 MPa (0–10 bar) เอาต์พุต 4–20 mA ที่ 0.5 MPa จะส่งกระแส 12 mA ถ้าฝั่งรับตั้งเป็น 0–2 MPa เพียงฝั่งเดียว หน้าจอจะแสดง 1 MPa

กระแสตรงตาม range ของ Transmitter ทุกประการ ให้อ่าน range และค่าดิจิทัลของอุปกรณ์ผ่าน HART แล้วเทียบกับการ scale ฝั่งรับ การเทียบนี้ชี้ให้เห็นสาเหตุที่ค่าไม่ตรง

เมื่อเทียบเกจที่หน้างานกับ Transmitter และหน้าจอ ให้ดูหน่วยและฐานความดัน (ความดันเกจหรือความดันสัมบูรณ์) ไม่ใช่ดูแค่ตัวเลข สเกลของเกจแบบ compound ก็ช่วยยืนยัน range ได้

ระหว่างเดินเครื่อง การเปลี่ยนของสถานะอุปกรณ์ช่วยตัดสินว่าจะตรวจตัวไหนก่อน Diagnostics มีประโยชน์ที่สุดเมื่อดูควบคู่กับสภาวะกระบวนการและค่าวัดอื่น ๆ

HART เป็นมาตรฐานเปิดที่ออกแบบให้ใช้ข้ามผู้ผลิตได้ จึงช่วยให้ทำวิธีตรวจสอบอุปกรณ์ host และไฟล์นิยามให้เป็นแบบเดียวกันได้ง่ายขึ้น เมื่อติดตั้งอุปกรณ์ที่ไซต์นอกญี่ปุ่น

ข้อควรจำ: การ re-range Transmitter ผ่าน HART ไม่ใช่การสอบเทียบ การเปลี่ยน range ไม่ได้ยืนยันความแม่นยำของเซนเซอร์ ซึ่งยังต้องใช้เครื่องมือมาตรฐานอ้างอิงและตรวจทั้งสายการวัด

ข้อจำกัดของ HART แบบมีสาย

ที่ 1200 bit/s FSK แบบมีสายไม่เหมาะกับการส่งภาพหรือข้อมูลรูปคลื่นจำนวนมาก การไล่อ่านหลายรายการจากอุปกรณ์หลายตัวทีละตัว ก็สะสมเวลารอจนเห็นได้ชัด

ความเร็วไม่ใช่ปัจจัยเดียว คำขอและคำตอบแต่ละครั้งมีข้อมูลมากกว่าค่าที่วัด ประเภทคำสั่ง การสแกนของ host และเวลาตอบของอุปกรณ์ล้วนมีผลต่อรอบอัปเดตโดยรวม ผู้ออกแบบจึงมักเก็บเส้นทาง 4–20 mA ไว้ใช้ควบคุม และมอง HART เป็นการอัปเดตที่ช้ากว่าเพื่องานซ่อมบำรุง

ถ้าวางแผนจะใช้ค่าดิจิทัล HART ในการควบคุม ให้เทียบรอบอัปเดตที่ต้องการกับสมรรถนะจริงของระบบ แล้วเลือกวิธีนำข้อมูลเข้า host

เส้นทางสัญญาณก็สำคัญ HART อาจใช้ไม่ได้บนลูปที่ค่าแอนะล็อกมาถึงปกติดี ขึ้นกับว่าอุปกรณ์ที่คั่นกลางจัดการสัญญาณ AC อย่างไร

• Signal converter และ isolator
• Intrinsic safety barrier
• ฟิลเตอร์

สำหรับ isolator อย่าดูแค่ความแม่นยำ 4–20 mA ให้ตรวจด้วยว่ามันส่งต่อ HART ได้สองทิศทางหรือไม่ อุปกรณ์ที่ส่งค่า DC ออกมาถูกต้อง ไม่ได้แปลว่าจะให้สัญญาณ AC ผ่านด้วย

สุดท้าย host ต้องรองรับอุปกรณ์แต่ละตัวอย่างเหมาะสม การอ่านค่าที่วัดพื้นฐานต้องการน้อยกว่า diagnostics และการตั้งค่าแบบละเอียด ให้จับคู่ซอฟต์แวร์และไฟล์นิยามอุปกรณ์กับรายการที่ต้องการใช้

ตัวต้านทาน 250 Ω และงบแรงดันของลูป

HART ต้องมีความต้านทานในลูประดับหนึ่ง เพื่อให้สัญญาณแบบกระแสจากอุปกรณ์ทำให้เกิดแรงดันที่ host ตรวจจับได้ ข้อกำหนด HART ระบุโหลดรวมของลูป รวมความต้านทานสายแล้ว ต่ำสุด 230 Ω และสูงสุด 1100 Ω คู่มืออุปกรณ์จำนวนมากระบุ 250 Ω ซึ่งอยู่เหนือค่าต่ำสุดเล็กน้อย

คู่มืออุปกรณ์จะบอกโหลดที่อุปกรณ์ต้องการสำหรับการสื่อสาร ตัวต้านทานอาจอยู่ในอินพุตฝั่งรับหรือแหล่งจ่ายอยู่แล้ว จึงไม่จำเป็นต้องเพิ่มตัวใหม่เสมอไป

ถ้าเพิ่มตัวต้านทานโดยไม่เช็กว่ามีอยู่แล้ว จะเกิดแรงดันตกเพิ่มโดยไม่จำเป็น ให้หาก่อนว่าโหลดเดิมอยู่ตรงไหน แล้วเทียบกับเงื่อนไขการสื่อสารของอุปกรณ์และความสามารถของแหล่งจ่าย

รูปที่ 4 คำนวณงบแรงดันด้วยค่าสมมติ

รูปที่ 4: แรงดันคร่อม 250 Ω และแรงดันที่เหลือให้ Transmitter

ค่าในรูปเป็นค่าสมมติเพื่ออธิบาย ได้แก่ แหล่งจ่าย 24 V ตัวต้านทานรับสัญญาณ 250 Ω ความต้านทานสายไป-กลับ 50 Ω และแรงดันตกคร่อมอุปกรณ์คั่นกลาง 2 V

แรงดันคร่อมตัวต้านทาน

V_R = I × R

0.004 × 250 = 1 V

0.020 × 250 = 5 V

แรงดันตกที่สายเมื่อกระแส 20 mA

V_wire = I × R_wire

0.020 × 50 = 1 V

แรงดันที่เหลือที่ Transmitter

V_TX = V_S − V_R − V_wire − V_dev

24 − 5 − 1 − 2 = 16 V

ถ้า Transmitter ต้องการแรงดันขั้นต่ำ 12 V เพื่อทำงาน

16 − 12 = เหลือ 4 V

I: กระแสลูป [A]; R: ตัวต้านทานรับสัญญาณ [Ω]; R_wire: ความต้านทานสายไป-กลับ [Ω]; V_S: แรงดันแหล่งจ่าย; V_dev: แรงดันตกคร่อมอุปกรณ์คั่นกลาง; V_TX: แรงดันที่ขั้ว Transmitter [V] แรงดันตก 2 V และแรงดันขั้นต่ำ 12 V เป็นค่าสมมติ ไม่ใช่สเปกที่ใช้กับอุปกรณ์ทุกตัว

กับอุปกรณ์จริง ให้ใช้แรงดันต่ำสุดของแหล่งจ่าย กระแสใช้งานสูงสุดและกระแส alarm และสเปกของอุปกรณ์ทุกตัวในลูป ต้องผ่านทั้งเงื่อนไขโหลดและเงื่อนไขแรงดัน

กระแส 4–20 mA ผ่าน 250 Ω ได้แรงดัน 1–5 V ตัวต้านทานตัวเดียวกันจึงใช้กับอินพุตแรงดันแอนะล็อกได้ด้วย ในแบบญี่ปุ่นตัวต้านทานนี้อาจเขียนว่า jushin teiko (ตัวต้านทานรับสัญญาณ)

ในตัวอย่าง ที่กระแส 20 mA แรงดันที่ Transmitter เหลือ 16 V ซึ่งเหลือเผื่อ 4 V เมื่อเทียบกับค่าขั้นต่ำสมมติ 12 V กับอุปกรณ์ชุดเดิม ค่าเผื่อนี้จะลดลงถ้าแรงดันแหล่งจ่ายต่ำลงหรือสายยาวขึ้น

ถ้าอุปกรณ์ใช้กระแส alarm ให้คำนวณแรงดันตกที่กระแสนั้น ด้วยสมมติฐานเดียวกันที่ 22 mA ตัวต้านทานตก 5.5 V สายตก 1.1 V และเหลือที่ Transmitter 15.4 V

ค่า 22 mA ใช้เฉพาะในตัวอย่างนี้ กระแส alarm ต่างกันตามอุปกรณ์ การคำนวณที่กระแสสูงสุดของอุปกรณ์ ช่วยให้เห็นแรงดันไม่พอที่ไม่ปรากฏในช่วงวัดปกติ

ค่าตัวต้านทานอย่างเดียวไม่ได้ตัดสินคุณภาพการสื่อสาร ค่านี้มีผลทั้งต่อแรงดันที่ analog input เห็นและต่ออิมพีแดนซ์ของเส้นทางสื่อสาร สายและอุปกรณ์ที่ต่ออยู่จึงต้องเหมาะกับลูปทั้งวง

สเปกญี่ปุ่นเขียนโหลดและแหล่งจ่ายอย่างไร

แคตตาล็อกญี่ปุ่นมักเขียนโหลดที่ยอมให้เป็นสูตร ไม่ใช่ตัวเลขเดียว เรียกว่า kyoyo fuka teiko (ความต้านทานโหลดที่ยอมให้)

ตัวอย่างเช่น isolator ที่รองรับ HART ของ MG Co., Ltd. ระบุโหลดที่ยอมให้เป็น (แรงดันแหล่งจ่าย − 12 V) ÷ 0.02 A รวมความต้านทานสายนำ และในแคตตาล็อกเดียวกันกำหนดความต้านทานลูป 250 Ω ±10% สำหรับการสื่อสาร HART

การ์ดอินพุตของ DCS ญี่ปุ่นอาจมีโหลดอยู่ในตัวเช่นกัน แคตตาล็อกโมดูล I/O ของ Yokogawa รุ่นหนึ่งระบุความต้านทานอินพุตแบบ 2 สายที่ 400 Ω (ที่ 20 mA) ถึง 750 Ω (ที่ 4 mA) และรองรับ HART ให้อ่านสเปกของการ์ดก่อนเพิ่มตัวต้านทาน

Point-to-Point กับ Multidrop

ในลูป point-to-point ทั่วไป Transmitter 1 ตัวอยู่บนลูปกระแส 1 ลูป และส่งค่าที่วัดหลักด้วย 4–20 mA HART ช่วยให้อ่านค่าดิจิทัลและค่าตั้งของอุปกรณ์นั้นผ่านสายเดิมได้

ใน multidrop อุปกรณ์หลายตัวใช้สายคู่เดียวกัน และ host ระบุแต่ละตัวด้วยแอดเดรส เมื่ออุปกรณ์ตั้งเป็น fixed current host จะอ่านค่าที่วัดของแต่ละตัวแบบดิจิทัล กระแสรวมบอกค่าของแต่ละตัวไม่ได้

รูปที่ 5 เปรียบเทียบการต่อสองแบบ

รูปที่ 5: รวมกระแสของอุปกรณ์หลายตัว ไม่ได้ค่าของแต่ละตัว

ในตัวอย่างด้านล่าง อุปกรณ์ A, B และ C ถูกล็อกที่ 4 mA ทุกตัว กระแสรวมในลูปจึงเป็น 12 mA จำนวนอุปกรณ์และช่วงแอดเดรสขึ้นกับ revision ของ HART และสเปกอุปกรณ์

แหล่งจ่าย อินเทอร์เฟซสื่อสาร และโหลด วาดรวมไว้ฝั่ง host ด้านบน: 1 ลูป ด้านล่าง: อุปกรณ์หลายตัวต่อขนานบนสายคู่เดียวกัน

สำหรับอุปกรณ์รุ่นเก่า (HART revision 3 ถึง 5) แอดเดรส polling ไล่ตั้งแต่ 1 ถึง 15 เอกสารจำนวนมากจึงบอกว่าต่อได้ไม่เกิน 15 ตัว HART 6 และ 7 รองรับแอดเดรสถึง 63 แต่ขีดจำกัดจริงขึ้นกับอุปกรณ์แต่ละรุ่น ถ้าลูปมีอุปกรณ์เก่าปนกับใหม่ การใช้แอดเดรสเกิน 15 อาจทำให้การสื่อสารผิดพลาด

analog input เดิมกับเครือข่าย multidrop ใช้การเดินสายและค่าตั้งต่างกัน ให้ตรวจโหมดเอาต์พุตกระแสควบคู่กับแอดเดรส และกำหนดว่าจะอ่านแต่ละค่าจากเส้นทางไหน

multidrop แบบ fixed current ก็ยังต้องตรวจแหล่งจ่าย กระแสของอุปกรณ์ทุกตัวไหลผ่านโหลดร่วมกัน จึงต้องประเมินแรงดันและกำลังจ่ายกระแสสำหรับอุปกรณ์ทั้งชุดที่ต่ออยู่

HART ยังมีเวอร์ชันที่ใช้ตัวกลางอื่น เช่น WirelessHART และ HART-IP ความถี่ Bell 202 และความเร็ว 1200 bit/s ใช้กับ HART แบบมีสายเท่านั้น ไม่ใช่ชั้นกายภาพแบบไร้สายหรือ Ethernet

HART ต่อไม่ติด? ตรวจตามลำดับนี้

ให้ไล่จากไฟและสายไปหาซอฟต์แวร์ แต่ละขั้นตัดปัญหาออกทีละชั้นก่อนไปขั้นต่อไป ก่อนเปิด junction box หรือแตะขั้วต่อสาย ให้ทำตามขั้นตอนของโรงงานเรื่อง permit, การแยกแหล่งพลังงาน และพื้นที่อันตราย (ปรึกษา จป. และหัวหน้างานได้) บทความนี้ใช้แทนขั้นตอนเหล่านั้นไม่ได้

1. ไฟและกระแสแอนะล็อก ยืนยันว่าอุปกรณ์ได้รับแรงดันพอ และเอาต์พุต 4–20 mA เป็นไปตามที่คาด ไล่ตาม loop diagram ตั้งแต่แหล่งจ่าย โหลดรับสัญญาณ อุปกรณ์คั่นกลาง และสาย แล้วคำนวณงบแรงดันแบบรูปที่ 4
2. จุดต่อและโหลด ตรวจจุดที่ต่อ communicator และโหลดของลูป เทียบกับคู่มืออุปกรณ์ ต่อแบบขนานที่จุดที่กำหนด การเสียบเครื่องมืออนุกรมแบบแอมมิเตอร์จะเปลี่ยนวงจรของลูป
3. โปรโตคอล ยืนยันว่าอุปกรณ์ใช้ HART จริง อุปกรณ์ญี่ปุ่นบางรุ่นอาจใช้โปรโตคอลอื่น (ดูหัวข้อถัดไป)
4. อุปกรณ์ในเส้นทาง ตรวจว่า isolator, barrier และ converter ระบุว่ารองรับ HART หรือไม่ และส่งสัญญาณผ่านทิศทางไหน ถ้าอ่านอุปกรณ์ได้จากฝั่งหนึ่งของ isolator แต่อ่านจากอีกฝั่งไม่ได้ ให้ดูฟังก์ชันส่งต่อสัญญาณและฝั่งที่ต่ออยู่
5. สายและสัญญาณรบกวน ตรวจหาจุดต่อหลวมและการต่อสายผิด รวมถึงสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้ารอบ ๆ การทำชีลด์และการต่อลงดินให้เป็นไปตามข้อกำหนดการเดินสายของไซต์และอุปกรณ์
6. การรองรับของ host ถ้าสื่อสารได้แต่ค่าตั้งบางรายการไม่ขึ้น ให้ตรวจไฟล์นิยามอุปกรณ์ แพ็กเกจ DD, DTM และ FDI ผูกกับชนิดและ revision ของอุปกรณ์ ให้โหลดไฟล์ที่ตรงกันลง host
7. เทียบค่า เทียบตัวแปรหลัก (primary variable) ที่อ่านผ่าน HART กับสัญญาณที่ใช้ควบคุมจริง การแยกค่าสำหรับควบคุมออกจากค่าสำหรับติดตามและซ่อมบำรุง ทำให้แยกปัญหาการสื่อสารออกจากปัญหาการแสดงผลหรือการควบคุมได้ง่ายขึ้น

กับโรงงานที่เดินเครื่องอยู่ การเปลี่ยนค่าตั้งอาจกระทบการผลิต ให้แยกการอ่านกับการเขียนออกจากกัน จดค่าก่อนเปลี่ยน และทำตามขั้นตอน Management of Change (MOC) ของไซต์

อุปกรณ์จากญี่ปุ่น: เช็ก BRAIN ก่อนโทษลูป

Yokogawa ผู้ผลิตเครื่องมือวัดรายใหญ่ของญี่ปุ่น มีโปรโตคอลดิจิทัลของตัวเองชื่อ BRAIN Transmitter บางรุ่นขายทั้งแบบ BRAIN และแบบ HART โดยใช้ส่วนตรวจวัดเดียวกัน และโปรโตคอลถูกกำหนดจาก model code อย่าคิดเองว่าสองโปรโตคอลใช้แทนกันได้

โดยทั่วไป HART communicator มาตรฐานคุยกับอุปกรณ์ BRAIN ไม่ได้ Yokogawa ระบุ handheld รุ่น BT200 เป็น communicator สำหรับอุปกรณ์ BRAIN และซอฟต์แวร์ FieldMate เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง ให้ถามผู้ผลิตว่ารุ่นของคุณต้องใช้เครื่องมืออะไร ก่อนเปลี่ยนตัวต้านทานหรือเดินสายใหม่ ให้อ่าน model code (keimei) เต็ม ๆ จากป้ายชื่อ แล้วเทียบกับตาราง model code ของผู้ผลิต

คู่มือภาษาญี่ปุ่นอาจแยกรุ่น HART กับ BRAIN เป็นคนละเล่ม ตรวจให้แน่ใจว่าคู่มือที่อ่านตรงกับโปรโตคอลบนป้ายชื่อ

ศัพท์ญี่ปุ่นที่อาจเจอ

คำเหล่านี้ปรากฏใน loop diagram แคตตาล็อก และคู่มือภาษาญี่ปุ่นของลูป HART

คำญี่ปุ่น (โรมาจิ)	ความหมาย
HART tsushin taio	รองรับ HART (ตรวจคำเดียวกันบน isolator และ barrier)
jushin teiko	ตัวต้านทานรับสัญญาณ ปกติ 250 Ω (ให้แรงดัน 1–5 V)
fuka teiko	ความต้านทานโหลด
kyoyo fuka teiko	ความต้านทานโหลดที่ยอมให้ มักเขียนเป็นสูตร
rupu-zu	Loop diagram
toriatsukai setsumeisho	คู่มือการใช้งาน (Instruction manual)
sohoko	สองทิศทาง (isolator ส่งต่อ HART ได้ทั้งสองทางหรือไม่)
keimei	Model code ของอุปกรณ์ (อ่านจากป้ายชื่อ)

เช็กลิสต์ก่อนต่อ Communicator

ไล่รายการเหล่านี้ก่อนเสียเวลาที่หน้างาน

• ยืนยันจาก model code เต็มว่าอุปกรณ์ใช้ HART (ไม่ใช่ BRAIN หรือโปรโตคอลอื่น)
• HART revision ของอุปกรณ์ และ host กับ communicator รองรับ revision นั้นหรือไม่
• ตำแหน่งและค่าของตัวต้านทานโหลดที่มีอยู่ รวมถึงตัวที่อยู่ในการ์ดอินพุตหรือแหล่งจ่าย
• โหลดรวมของลูปอยู่ในเงื่อนไขการสื่อสารของอุปกรณ์ (ช่วงตามข้อกำหนด HART คือ 230–1100 Ω)
• แรงดันที่ Transmitter ที่กระแสสูงสุด รวมกระแส alarm ยังสูงกว่าแรงดันทำงานขั้นต่ำของมัน
• isolator, barrier และ converter ทุกตัวในลูประบุว่ารองรับ HART และส่งผ่านทิศทางที่ต้องการ
• ต่อ communicator ที่จุดตามคู่มือ และต่อแบบขนาน
• มี secondary master (handheld หรือโน้ตบุ๊ก) บนลูปครั้งละ 1 ตัวเท่านั้น
• แอดเดรส polling และโหมดเอาต์พุตกระแส (4–20 mA ปกติ หรือ fixed current)
• แพ็กเกจ DD, DTM หรือ FDI ที่ตรงกับชนิดและ revision ของอุปกรณ์ติดตั้งบน host แล้ว
• การ scale ฝั่งรับตรงกับ range และหน่วยของ Transmitter
• จดค่าเดิมไว้ และทำตามขั้นตอนเปลี่ยนแปลงของไซต์ ก่อนเขียนค่าตั้งใด ๆ บนลูปที่กำลังใช้งาน

คำถามถึงซัพพลายเออร์ญี่ปุ่น

ถ้าเอกสารขาดหรือไม่ชัด ให้ถามซัพพลายเออร์โดยตรง คำถามเหล่านี้ครอบคลุมประเด็นข้างต้น ควรส่งเป็นภาษาอังกฤษ เพราะผู้ติดต่อฝั่งญี่ปุ่นมักตอบได้เร็วกว่า

1. Transmitter แต่ละตัวใช้โปรโตคอลอะไร (HART, BRAIN หรืออื่น ๆ) ขอ model code เต็ม
2. อุปกรณ์แต่ละตัวรองรับ HART revision ไหน
3. ตัวต้านทานโหลด HART ในแต่ละลูปอยู่ตรงไหน ค่าเท่าไร และอยู่ในการ์ดอินพุตหรือแหล่งจ่ายหรือไม่
4. แรงดันทำงานขั้นต่ำของ Transmitter แต่ละตัวเท่าไร และตั้งกระแส alarm ไว้เท่าไร
5. isolator และ barrier ในตู้รองรับ HART หรือไม่ และส่งต่อ HART ได้สองทิศทางหรือไม่
6. ควรต่อ handheld communicator ที่จุดไหน ขอให้ทำเครื่องหมายบน loop diagram
7. ต้องใช้ไฟล์ DD, DTM หรือ FDI อะไร และดาวน์โหลดได้ที่ไหน
8. มีอุปกรณ์ตัวไหนต่อแบบ multidrop หรือตั้งเป็น fixed current หรือไม่
9. ขอคู่มือและ loop diagram ฉบับภาษาอังกฤษของอุปกรณ์เหล่านี้ได้หรือไม่

อีเมลสั้น ๆ ตามแนวนี้มักได้คำตอบที่ชัดกว่าการแจ้งแค่ว่า "HART ใช้ไม่ได้" ตัวอย่างภาษาอังกฤษ:

Subject: HART communication check – [project name], tag [PT-101]

We cannot communicate with transmitter [PT-101] using a HART communicator, although the 4–20 mA signal reads correctly in the DCS. Could you please confirm the following for this loop: (1) the full model code and communication protocol of the transmitter, (2) the location and value of the HART load resistor, (3) whether the isolator [model] relays HART in both directions, and (4) the recommended connection point for a handheld communicator? A marked-up loop diagram would be very helpful.

ข้อจำกัดของบทความนี้

• บทความนี้ครอบคลุม HART แบบมีสายบนลูป 4–20 mA WirelessHART และ HART-IP ใช้ชั้นกายภาพต่างกัน
• งบแรงดันในรูปที่ 4 ใช้ค่าสมมติ ให้ใช้สเปกจริงของแหล่งจ่าย สาย และอุปกรณ์ทุกตัวในลูป
• ข้อกำหนดโหลด กระแส alarm ช่วงแอดเดรส และฟังก์ชันที่รองรับ ต่างกันตามอุปกรณ์ revision และ host คู่มืออุปกรณ์มาก่อนตัวเลขทั่วไปในบทความนี้
• ลูปแบบ intrinsically safe มีกฎของตัวเองสำหรับ barrier และอุปกรณ์ที่ต่อ การจะต่อ communicator ในพื้นที่อันตรายได้หรือไม่ ขึ้นกับการอนุมัติและขั้นตอนของไซต์ ไม่ใช่บทความนี้
• การเปลี่ยนค่าตั้งบนโรงงานที่เดินเครื่องอยู่ ให้ทำตามขั้นตอนของไซต์

คำถามที่พบบ่อย

HART ต้องใช้สายพิเศษหรือไม่

ไม่ต้อง HART ออกแบบให้ใช้บนลูปเครื่องมือวัดสองสายที่มีอยู่ แต่สาย โหลด และอุปกรณ์คั่นกลางต้องเป็นไปตามเงื่อนไขการสื่อสาร จึงควรตรวจทั้งลูป ไม่ใช่ดูแค่ชนิดสาย

ถ้าสัญญาณ 4–20 mA ปกติ HART จะใช้ได้ไหม

ไม่เสมอไป ค่า DC อาจมาถึงถูกต้อง ในขณะที่ isolator หรืออุปกรณ์อื่นกั้นสัญญาณสื่อสาร AC ให้ตรวจว่าอุปกรณ์และ host รองรับ HART โหลดและแรงดันอยู่ในเงื่อนไข และอุปกรณ์ทุกตัวระหว่างทางส่งต่อ HART ได้สองทิศทาง

ต้องเพิ่มตัวต้านทาน 250 Ω เสมอไหม

ไม่ อินพุตฝั่งรับและแหล่งจ่ายบางแบบมีโหลดที่ต้องการอยู่แล้ว ให้หาโหลดเดิมจาก loop diagram แล้วค่อยตัดสินใจว่าต้องเพิ่มเพื่อให้ถึงเงื่อนไขการสื่อสารของอุปกรณ์หรือไม่ โดยไม่ทำให้แรงดันเผื่อหมดไป

ทำไมค่า HART ไม่ตรงกับค่าที่ DCS แสดง

ค่าดิจิทัล HART กับค่าที่แสดงจากการแปลง 4–20 mA ผ่านคนละเส้นทาง ให้เทียบตัวแปร หน่วย range และการ scale ฝั่งรับ แล้วไล่ดูทีละขั้นว่าค่าเปลี่ยนที่จุดไหน

1200 Hz กับ 1200 bit/s คือสิ่งเดียวกันหรือไม่

ไม่ใช่ Hz คือความถี่ของคลื่น ส่วน bit/s คืออัตราการส่งข้อมูล HART แบบมีสายใช้ 1200 Hz และ 2200 Hz แทน 1 และ 0 และอัตราข้อมูลคือ 1200 bit/s

แหล่งอ้างอิง

• พื้นฐาน HART และ IIoT: Endress+Hauser, "The essentials of HART communication and the IIoT"
• ความถี่ FSK, อัตราข้อมูล, สัญญาณ ±0.5 mA, โหลดลูป 230–1100 Ω, master 2 ตัว, แอดเดรส multidrop 1–15: SAMSON, "HART Communications" (Technical Information L452 EN)
• HART revision และช่วงแอดเดรส polling: Wikipedia, "Highway Addressable Remote Transducer Protocol"; Endress+Hauser, BA00486C operating instructions
• ภาพรวม HART: Yokogawa, "What is HART communication?" (ภาษาญี่ปุ่น)
• ความต้านทานอินพุตของโมดูล I/O ที่รองรับ HART: Yokogawa, GS 33K50F80-50E, I/O Modules with Built-in Barrier (for FIO)
• หลักการ HART: Emerson, FIELDVUE DVC6200 instruction manual
• การต่อเครื่องมือตั้งค่า HART: Yokogawa, digitalYEWFLO instruction manual (ภาษาญี่ปุ่น)
• isolator ที่รองรับ HART (ส่งต่อสองทิศทาง, 250 Ω ±10%, สูตรโหลดที่ยอมให้): MG Co., Ltd., M2DYHR product specifications (ภาษาญี่ปุ่น)
• BRAIN และ HART communicator: Yokogawa, Device Smart Communicators; Yokogawa, DPharp EJA Series HART protocol manual (IM 01C22T01-01EN)
• ไฟล์นิยามอุปกรณ์: FieldComm Group, "HART EDD/FDI Registration"; Yokogawa, FieldMate and DD/DTM FAQ (ภาษาญี่ปุ่น)
• ที่มาของ HART และมาตรฐานเปิด: Emerson, Rosemount pressure innovation history
• อินพุตเซนเซอร์หลายตัวและตัวแปรหลัก: Emerson, Rosemount 3144P reference manual