Ecco gli argomenti di oggi:
Il loop di corrente e il protocollo HART.
Precisione dei segnali in corrente e risoluzione.
Il protocollo HART: segnali analogici e digitali insieme.
Reti HART, apparecchiature e convertitori.
Segnale analogico e segnali digitali, interferiscono?
Il loop di corrente e il protocollo HART.
La trasmissione di segnali in loop di corrente è ormai impiegata da più di quarant’anni, essendo questo un metodo relativamente economico, e soprattutto semplice da utilizzare per mettere in comunicazione le apparecchiature con i PLC e i sistemi DCS.
Con un cavo di soli due conduttori e una piccola corrente (per esempio 4-20 mA), è possibile trasmettere segnali analogici con un buon grado di precisione, inoltre con un singolo alimentatore da due ampere si possono alimentare dozzine di sensori.
Trattandosi di segnali analogici, è chiaro che al valore di 4 mA (o zero nel caso di segnali 0-20mA) corrisponde il valore inferiore della scala della variabile misurata, a 12 mA la metà della scala, e a 20mA il fondo scala.
Per esempio, con un trasmettitore di pressione che misura un campo da zero a dieci bar, avremo che a 12mA misuriamo una pressione di 5 bar, e a 16 mA di 7,5 bar.
Un altro vantaggio dei segnali in corrente è che le misure possono essere trasmesse anche a lunghe distanze, fino a mille metri; inoltre quando si lavora con segnali 4-20mA, la rottura del conduttore può essere rilevata misurando un segnale di zero mA; questa caratteristica viene chiamata “zero vivo”.
Precisione dei segnali in corrente e risoluzione.
Sebbene i segnali in corrente siano un ottimo modo di trasmettere dati analogici, bisogna tener presente che la loro precisione dipende molto dalla risoluzione dei convertitori analogici / digitali, inoltre un segnale del genere può trasmettere il valore di una sola variabile alla volta, trattandosi di un segnale comunque analogico.
I convertitori analogici odierni come quelli contenuti nei moduli di ingresso e uscite analogiche per PLC, offrono una risoluzione di 12 o 16 bit, e naturalmente più è alto il numero di bit utilizzati nella conversione dei segnali, maggiore è la risoluzione della misura.
Facciamo un esempio: se abbiamo un trasmettitore di pressione che misura 1000 psi, con una conversione a 16 bit abbiamo 65535 possibili valori, per cui dividendo il fondo scala 1000 per 65545 otteniamo una risoluzione di 0,015 psi; non male vero?
Il protocollo HART: segnali analogici e digitali insieme.
Come accennato in precedenza, con un segnale analogico possiamo trasmettere una sola variabile per volta, tuttavia se riusciamo a trasmettere con lo stesso segnale anche dei dati digitali, ecco che abbiamo il protocollo HART.
Come funziona questo sistema? Prendiamo per esempio un telefono analogico, di quelli che si utilizzavano molti anni fa. Su un doppino telefonico si trasmetteva la voce che veniva convertita ai capi della comunicazione in segnale elettrico e audio.
Alla fine degli anni ’70, venne inventato il protocollo Bell 202 modem, uno standard che fu successivamente adottato per comunicare dati digitali fino a 1200 bit per secondo, insieme ai dati analogici. Tra i dati digitali che potevano essere trasmessi con questo protocollo c’era per esempio l’ID del chiamante.
Nell’ambito dell’automazione industriale, il protocollo HART fa esattamente ciò che abbiamo appena visto, permette di trasmettere oltre che al valore misurato anche tutta una serie di dati come per esempio l’ID dell’apparecchiatura, i dati di configurazione, i dati di diagnostica e altro.
Questo si tramuta in un grande vantaggio, se pensiamo che sfruttiamo sempre i soliti due conduttori, e che quindi se vogliamo sostituire un apparecchio non HART con un modello HART non dobbiamo nemmeno cambiare i cavi.
Reti HART, apparecchiature e convertitori.
Oggi abbiamo a disposizione tantissimi sensori e apparecchi che comunicano con il protocollo HART, ci sono inoltre convertitori che permettono a questi apparecchi di lavorare in wireless.
Le reti HART possono contenere fino a 63 oggetti raggiungibili univocamente attraverso il loro indirizzo. Il master (solitamente il PLC o il DCS) invia le richieste specificando il destinatario delle stesse, quest’ultimo risponde con i dati richiesti dal master, un po’ come avviene con la comunicazione Modbus.
Sebbene si possano disegnare reti HART, solitamente nell’industria a ogni canale HART viene collegato un solo apparecchio, dato che la velocità di una rete HART risulta comunque limitata rispetto alle più moderne reti di campo.
Una delle caratteristiche del protocollo HART è che accetta master multipli, per cui a uno stesso apparecchio possiamo per esempio accedere con un PLC e con un terminale portatile, sia per leggere i valori dal campo che per lavorare con la configurazione dell’apparecchio stesso.
Segnale analogico e segnali digitali, interferiscono?
Dato che il protocollo HART unisce segnale analogico e segnali digitali, si potrebbe pensare che questo possa in qualche modo influenzare il segnale analogico.
In realtà questo non avviene poiché la frequenza dell’onda sinusoidale della portante HART oscilla a 1200 HZ 2200 HZ per indicare rispettivamente segnale digitale a uno e a zero; l’ampiezza dell’onda rimane costante.