โปรโตคอล HART คืออะไร?

รู้จักกับ HART Protocol ว่าใช้งานอย่างไรกับเซนเซอร์แบบแอนะล็อก และเซนเซอร์ HART ทำงานอย่างไร

ในบทความนี้ คุณจะได้เรียนรู้ว่า HART Protocol คืออะไร, มันทำงานอย่างไรกับเซนเซอร์แบบแอนะล็อก, หลักการทำงานของเซนเซอร์ HART, และ ประโยชน์ที่ HART มอบให้กับโรงงานของคุณ

ระบบสื่อสารแบบ Current Loop

เทคโนโลยี Current Loop ถูกใช้งานกับเซนเซอร์แบบแอนะล็อกมายาวนานกว่า 40 ปีแล้ว สำหรับการส่งข้อมูลกระบวนการสำคัญไปยังระบบควบคุม ไม่ว่าจะเป็น DCS (Distributed Control System), PLC (Programmable Logic Controller) หรือ Single-loop Controller

Current Loop ทำงานได้อย่างง่ายและประหยัดงบประมาณ โดยเซนเซอร์แต่ละตัวใช้สายไฟเพียงคู่เดียว และใช้กระแสไฟเพียง 4 – 20 mA เท่านั้น
เช่น แหล่งจ่าย 24VDC ขนาด 2 แอมป์ สามารถจ่ายให้เซนเซอร์ได้หลายสิบตัว

ในระบบนี้

ค่าต่ำสุดที่สามารถวัดได้จะเรียกว่า Lower Range Limit (LRL) – เซนเซอร์จะส่งค่า 4 mA ซึ่งหมายถึง 0%
ค่าสูงสุดที่วัดได้เรียกว่า Upper Range Limit (URL) – เซนเซอร์จะส่งค่า 20 mA ซึ่งหมายถึง 100%

เซนเซอร์แอนะล็อกราคาถูก เช่น Pressure, Temperature มีราคาประมาณ $100 – $500 เท่านั้น
แม้เซนเซอร์ซับซ้อนอย่าง Flow, Level, pH จะมีราคาสูงกว่า แต่ก็ยังใช้เพียงคู่สายเดียวในการส่งค่า Process Variable ไปยังระบบควบคุม

ข้อดีอีกอย่างของระบบ 4–20 mA คือ สามารถส่งสัญญาณได้ไกล โดยไม่สูญเสียความแม่นยำ
เช่น ใช้สาย 18 AWG ก็สามารถส่งสัญญาณได้ไกลถึง 1000 เมตรโดยไม่เสียสัญญาณ

นอกจากนี้ การที่ 4 mA เป็นค่าศูนย์ (Live Zero) หมายความว่า หากสายขาดหรือเกิดปัญหา ระบบจะเห็นว่า “ไม่มีสัญญาณ” (0 mA) ทันที ซึ่งเป็นคุณสมบัติวินิจฉัยเบื้องต้นที่มีประโยชน์

ข้อจำกัดของระบบแอนะล็อก

แม้ว่าเซนเซอร์แอนะล็อกจะมีข้อดีหลายอย่าง แต่ยังมีข้อจำกัดสำคัญคือ สามารถส่งข้อมูลได้เพียงค่าหนึ่งเท่านั้น และ ความละเอียดของข้อมูลขึ้นอยู่กับ Analog-to-Digital Converter (A/D Converter) ของระบบควบคุม

ในระบบสมัยใหม่ หากใช้ A/D ที่มีความละเอียด 16-bit จะสามารถแยกค่าสัญญาณได้ถึง 65,535 ระดับ
ตัวอย่างเช่น เซนเซอร์วัดแรงดัน 0 – 1000 psi จะมีความละเอียดประมาณ 0.015 psi ซึ่งเพียงพอสำหรับงานส่วนใหญ่

ความเข้าใจพื้นฐานก่อนเข้าสู่ HART

ก่อนเข้าสู่ HART เรามาเปรียบเทียบกับ โทรศัพท์แอนะล็อก ซึ่งก็ใช้สายทองแดงคู่เดียวในการส่งเสียง โดยไมโครโฟนจะแปลงเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า แล้วส่งผ่านสายไปยังปลายทาง และแปลงกลับเป็นเสียง

ระบบนี้ใช้แนวคิดเดียวกันกับเซนเซอร์แอนะล็อกในโรงงาน

ต่อมา Bell Labs ได้พัฒนา Bell 202 Modem ในช่วงปลายปี 1970 ซึ่งใช้เทคนิค Audio Frequency-Shift Keying (AFSK) ที่แปลงข้อมูลดิจิทัลเป็นสัญญาณความถี่เสียง เช่น

1200 Hz แทนค่า "1"
2200 Hz แทนค่า "0"

แนวคิดนี้นำไปใช้ในระบบโทรศัพท์เพื่อให้สามารถส่ง Caller ID (ชื่อเบอร์โทร) พร้อมเสียงสนทนาได้ในสายเดียวกัน

และนี่คือจุดกำเนิดของ HART

หากเรานำสัญญาณ Bell 202 มาซ้อนทับบนสัญญาณ 4–20 mA แบบแอนะล็อก เราก็สามารถส่งข้อมูล ดิจิทัลและแอนะล็อก ไปพร้อมกันในสายคู่เดียวกันได้
สิ่งนี้เรียกว่า HART Protocol (Highway Addressable Remote Transducer)

✔️ HART = ส่งข้อมูลแบบดิจิทัล ซ้อนทับ บนสัญญาณ 4–20 mA เดิม

ตัวอย่างข้อมูลดิจิทัลที่ส่งผ่าน HART ได้แก่

ชื่อแท็กของอุปกรณ์
ค่าการคาลิเบรต
ค่าการแจ้งเตือน
ข้อมูลวิเคราะห์สถานะเซนเซอร์

และที่สำคัญ! HART ใช้สายเดิม ไม่ต้องเดินสายใหม่
สามารถ อัปเกรดจากระบบเดิมที่เป็นแอนะล็อก ให้รองรับ HART ได้ง่าย ๆ

อุปกรณ์ที่รองรับ HART

ปัจจุบัน อุปกรณ์เครื่องมือวัดจำนวนมาก รองรับ HART ในตัวอยู่แล้ว และ DCS/PLC ก็มี Input Card ที่รองรับ HART ให้เลือกใช้เช่นกัน
หรือสามารถติดตั้ง อุปกรณ์เสริม (HART Multiplexer / Wireless Adapter) เพื่อเปลี่ยนเซนเซอร์ HART ให้ส่งข้อมูลแบบไร้สายได้อีกด้วย

การทำงานของ HART Protocol

HART ย่อมาจาก “Highway Addressable Remote Transducer”
หมายความว่า เราสามารถสร้างเครือข่ายเล็ก ๆ ที่มีอุปกรณ์สูงสุด 63 ตัว โดยแต่ละตัวจะมี หมายเลข (Address) ของตัวเอง

ในระบบปกติ:

PLC/DCS จะเป็น Master Node ที่ร้องขอข้อมูลจาก Sensor
Sensor เป็น Slave ที่ตอบกลับตามคำร้องขอ เช่น ส่งค่า PV, เปลี่ยนค่าคาลิเบรต, ส่งค่าความผิดปกติ ฯลฯ

เซนเซอร์สามารถเข้าถึงจากระยะไกลได้ เช่น ใช้ซอฟต์แวร์ DCS หรือใช้ HART Communicator (Handheld Device) ที่ต่อเข้ากับสาย loop ณ กล่อง Junction Box หรือที่ตัวอุปกรณ์โดยตรง

HART รองรับ Multiple Master หมายถึงสามารถใช้งาน HART Communicator ไปพร้อมกับระบบควบคุมได้

ไม่รบกวนสัญญาณ 4–20 mA

แม้จะมีสัญญาณ AC (AFSK) ซ้อนอยู่ แต่ HART ถูกออกแบบให้ ไม่รบกวน สัญญาณ 4–20 mA เลย
เพราะคลื่น Sine Wave ของ HART มีความถี่คงที่ (1200 / 2200 Hz) และออกแบบให้ค่าเฉลี่ยสุทธิของคลื่น = 0

ดังนั้น ค่า Process Variable ที่ส่งแบบ 4–20 mA จะ ไม่ถูกรบกวน

HART ส่งข้อมูลอะไรได้บ้าง?

HART สามารถส่งข้อมูลได้ 35–50 รายการ เช่น

ค่าที่วัดได้ (Process Variable)
สถานะอุปกรณ์
การแจ้งเตือน (เช่น "ค่าต่ำกว่าช่วง")
ค่าคอนฟิกพื้นฐาน เช่น LRL/URL
Tag Name
Firmware Version
Model Number
ข้อมูลการวิเคราะห์ขั้นสูง

เซนเซอร์แบบ Multivariable เช่น Mass Flow Meter สามารถส่ง ค่าการไหลแบบมวล, ปริมาตร, อุณหภูมิ, ความหนาแน่น ทั้งหมดผ่านสายคู่เดียวได้เลย

ความเข้ากันได้ และการขยาย

HART ดูแลโดย HART Communication Foundation (HCF) ซึ่งเป็นองค์กรอิสระ
จึงทำให้อุปกรณ์จากผู้ผลิตต่าง ๆ สามารถใช้งานร่วมกันได้อย่างราบรื่น

ผู้ผลิตสามารถเพิ่มข้อมูลเฉพาะของตนเองได้ เช่น Firmware Version โดยจะต้องมีไฟล์พิเศษชื่อ Device Descriptor (DD File) เพื่อให้ DCS หรือ HART Communicator อ่านค่าที่เพิ่มเข้ามาได้อย่างถูกต้อง

สรุป: ทำไม HART ถึงเหมาะกับโรงงานของคุณ

ใช้งานบนสายสัญญาณ 4–20 mA เดิมได้เลย ไม่ต้องเดินสายใหม่
ส่งข้อมูลแอนะล็อกและดิจิทัลพร้อมกัน
รองรับการตรวจสอบสถานะ, คอนฟิก และการบำรุงรักษาจากระยะไกล
เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและการดูแลอุปกรณ์
ใช้กับ Multivariable Instrument ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ
เข้ากันได้กับอุปกรณ์จากหลายผู้ผลิต
ประหยัดต้นทุนการติดตั้ง และลดเวลาหยุดระบบ

หากในโรงงานของคุณใช้เซนเซอร์แบบ 4–20 mA อยู่แล้ว มีโอกาสสูงที่อุปกรณ์เหล่านั้น รองรับ HART อยู่แล้ว และคุณสามารถเปิดใช้งานได้ทันที
สิ่งที่คุณต้องมีคืออุปกรณ์ที่รองรับ และการคอนฟิกเล็กน้อย ก็สามารถดึงข้อมูลได้มหาศาล โดยไม่ต้องลงทุนใหญ่เลยครับ

โปรโตคอล HART คืออะไร? (HART PROTOCAL)