Phân biệt HART Communicator và HART Calibrator trong công tác cấu hình và hiệu chuẩn thiết bị đo

1. Định nghĩa giao thức HART:

HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một giao thức truyền thông được sử dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa, cho phép truyền đồng thời tín hiệu analog và tín hiệu số trên cùng một cặp dây. Giao thức HART nâng cao tín hiệu analog truyền thống 4–20 mA bằng cách chồng thêm tín hiệu số lên trên tín hiệu analog, sử dụng kỹ thuật điều chế dịch tần (FSK – Frequency Shift Keying).

Nhờ đó, các transmitter HART vẫn tương thích với hệ thống điều khiển analog hiện hữu, đồng thời cung cấp khả năng giao tiếp số nâng cao phục vụ cho chẩn đoán, truy cập dữ liệu và cấu hình thiết bị.

2. Transmitter HART:

Tiếp theo, chúng ta cùng xem xét cấu trúc của một transmitter HART.

Hình 1: Ảnh minh họa cấu trúc transmitter HART

Giải thích cấu trúc:

• Khối đầu vào (Input section):
  Tín hiệu đo thực tế (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, v.v.) được đưa vào bộ chuyển đổi A/D, nơi tín hiệu analog được chuyển thành dạng số. Đại lượng thường được sử dụng nhất là Primary Variable (PV). Khối đầu vào có thể được điều chỉnh (trim) thông qua chức năng sensor trim của transmitter.
• Khối xử lý và chuyển đổi số:
  Tín hiệu PV dạng số đi qua khối chuyển đổi, tại đây có thể cấu hình: Dải đo của transmitter (giá trị đầu vào tương ứng với 4 mA và 20 mA); Hàm truyền; Hệ số damping và nhiều tham số khác.

Giá trị đầu ra sau khi cấu hình được ký hiệu là AO (Analog Output). Lưu ý rằng AO vẫn chỉ là biểu diễn số của tín hiệu analog, chưa phải là tín hiệu mA analog thực tế.

• Khối đầu ra (Output section):
  Tín hiệu AO dạng số được đưa vào bộ chuyển đổi D/A, nơi nó được chuyển thành tín hiệu dòng analog mA chính xác. Khối này có thể được điều chỉnh bằng chức năng analog trim.

Độ chính xác tổng thể của một transmitter HART phụ thuộc vào tất cả các khối trên, vì chúng được mắc nối tiếp trong chuỗi đo.

3. Bộ giao tiếp HART (HART Communicator):

HART communicator là thiết bị cầm tay dùng để giao tiếp với transmitter HART. Thiết bị này cho phép cấu hình và chỉnh sửa các tham số của transmitter, bên cạnh đó là truy cập dữ liệu và chẩn đoán thiết bị

Việc hỗ trợ đầy đủ chức năng phụ thuộc vào file Device Description (DD) tương ứng với model và phiên bản transmitter. Nếu không có DD phù hợp, chỉ các lệnh HART chung (generic) mới được hỗ trợ.

Một số HART communicator phổ biến gồm: Emerson 475, Emerson Trex, Yokogawa, Meriam, …

Thông thường, HART communicator không có khả năng tạo hoặc đo tín hiệu quá trình với độ chính xác đủ cho hiệu chuẩn. Do đó, nếu bạn muốn hiệu chuẩn hoặc trim transmitter, bạn bắt buộc phải sử dụng thêm một bộ hiệu chuẩn riêng.

Một điểm dễ gây nhầm lẫn là HART communicator có thể đọc giá trị AO, hiển thị dưới dạng mA. Tuy nhiên, giá trị này chỉ là biểu diễn số, không phải là dòng mA analog thực sự đang được xuất ra.

Như đã trình bày ở phần cấu trúc transmitter, tín hiệu AO vẫn phải đi qua khối đầu ra để trở thành dòng mA thực. Vì vậy, giá trị mA đo bằng calibrator chính xác có thể khác với giá trị AO hiển thị trên communicator. Trên thực tế, đã có trường hợp người dùng bỏ qua hiệu chuẩn thực tế và tin hoàn toàn vào giá trị AO, dẫn đến sai sót nghiêm trọng.

Như vậy, nếu sử dụng HART communicator, ta vẫn cần một bộ hiệu chuẩn quá trình riêng để thực hiện các công việc liên quan đến độ chính xác như hiệu chuẩn hoặc trim.

4. Bộ hiệu chuẩn HART (HART Calibrator):

Trong bài viết này, thuật ngữ HART calibrator được dùng để chỉ thiết bị tích hợp cả bộ hiệu chuẩn quá trình chính xác và bộ giao tiếp HART trong cùng một thiết bị. Phần communicator cho phép thực hiện mọi chức năng giao tiếp HART, trong khi phần calibrator cho phép hiệu chuẩn truy xuất đo lường chính xác

Một HART calibrator có thể dùng để hiệu chuẩn transmitter từ tín hiệu đầu vào đến tín hiệu đầu ra, hiệu chuẩn và trim khối đầu vào (sensor trim) và hiệu chuẩn và trim khối đầu ra (analog trim)

So sánh: HART Communicator và HART Calibrator

Trong các nhà máy quá trình, số lượng transmitter HART thường rất lớn, kéo theo nhu cầu cấu hình và hiệu chuẩn thường xuyên. Ta có thể dùng hai thiết bị riêng biệt hoặc dùng thiết bị tích hợp cả hai chức năng tùy theo nhu cầu sử dụng.

Một trong những lợi ích lớn của thiết bị tích hợp là chỉ cần mang theo một thiết bị duy nhất. Ngoài ra, khi thực hiện trim, thiết bị này cho phép sao chép trực tiếp kết quả đo từ calibrator sang communicator, thay vì phải nhập thủ công như khi dùng hai thiết bị riêng.

5. Nguồn cấp vòng dòng tương thích HART (HART-compatible loop supply):

Khi làm việc với transmitter HART, ta cần có nguồn cấp vòng dòng tương thích HART để transmitter hoạt động. Trong khi calibrator thường tích hợp sẵn loop supply thì hhiều HART communicator không có loop supply.

Nguồn cấp này phải có trở kháng phù hợp (danh định 250 Ω) để giao tiếp HART hoạt động. Khi sử dụng HART calibrator có loop supply tương thích, không cần thêm trở kháng ngoài. Trong một số trường hợp, có thể sử dụng nguồn từ hệ thống điều khiển.

6. Tổng kết:

Trong công tác bảo trì và hiệu chuẩn transmitter HART cần cả HART communicator và bộ hiệu chuẩn quá trình. Vì vậy, việc lựa chọn thiết bị riêng biệt hay tích hợp tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng.

So sánh chức năng chính:

(Trung tâm Nghiên cứu Kiểm định Hiệu chuẩn Đo lường)