HART Protocol 에 대해서 알아봅시다. (장단점 및 활용)

HART Protocol 에 대해서 알아봅시다. (장단점 및 활용)

HART Protocol 통신 방식이란?

 
 이번 포스팅에서는, 현장 계기를 다루게 되면 자주 접하게 되는 HART Protocol에 대해서 이야기해 보겠습니다.

먼저 HART 프로토콜의 정의가 무엇인지에 대해서 알아봐야 하겠죠?
 
 HART Protocol은 Highway Addressable Remote Transducer의 약자입니다.

이름만 봐서는 어떠한 Fieldbus인지 크게 감이 안 오실 것이라 생각됩니다.
 
HART 프로토콜에 대한 자세한 설명은 "https://www.fieldcommgroup.org/"에 나와있습니다.

(링크 참조: HART Technology Explained | FieldComm Group)

 

HART is a bi-directional communication protocol that provides data access between intelligent field instruments and host systems. A host can be any software application from technician's hand-held device or laptop to a plant's process control, asset management, safety or other system using any control platform. Communication occurs between two HART-enabled devices, typically a smart field device and a control or monitoring system. Instrumentation grade wiring and standard termination practices assure reliable communication.

 
 HART는 양방향 통신 프로토콜로서, 산업현장 내에 DCS나 PLC 혹은 제어서버 측과 현장 계기와 연결하여 통신하는 방식으로, 현장 계기(Instrument)와 중앙제어 시스템 간에 통신으로 연결하여 각종 data의 송수신 / 자산관리 시스템 연동 / Communicator(단말기) 등으로 사용자가 제어할 수 있는 기능을 제공하고 있다고 합니다.

 

HART 통신 방식 개념도

 

 이전에 소개한 여타 다른 산업용 통신방식 (Fieldbus)과 유사한 점이 있지만, 근본적으로 다른 점으로서 HART에서는 FSK라는 개념을 가지고 있다는 점을 들 수 있겠습니다.

 

HART Protocol의 FSK 방식 설명

 
 현장 계기의 레벨, 온도 유량, 압력 등의 프로세스 데이터를  고전적인 아날로그(Conventional Analog) 4~20mA 신호로 중앙제어장치에 송수신할 때, 그 4-20mA의 길목에 FSK라는 변조 방식을 활용해 중앙제어장치에 통신한다는 것이 HART 프로토콜의 핵심이라고 할 수 있겠습니다. 
 
 위 그림에서 표현한 바와 같이, Digit 값 1은 2,200 Hz / 0은 1,200 Hz의 신호로 표현하며, 통신속도(Baud rate)는 여타 통신 방식보다는 낮은 1,200 bps로 통신하게 되는 방식이라고 합니다.
 
 여기서 의문인 것이, '1,200 bps면 필드버스 치고는 너무 느린 거 아닌가?'라는 생각이 들 수도 있겠습니다만, 

 
4-20mA의 Conventional Analog 신호 1 point + 각종 데이터

 
를 활용할 수 있다는 점에서 장점이 되겠습니다.
 
 제가 생각하는 HART 프로토콜의 장점으로는,
 

1. 통신방식을 활용해서, AI / AO 1 연결 포인트로 더 많은 정보를 전달할 수 있다.
   - 예를 들어, Mass Flow meter 온도 / 유량 / 밀도를 모두 각각 측정하기 위해서 3 Point의 Analog Input을 연결하지 않고 HART 통신으로 1 포인트만 받고 나머지는 HART 통신으로 연결하는 방법이나 Control Valve의 Positioner에 연결되는 Alnalog output에 더해 Feedback 데이터를 HART를 이용하여 받는 식으로, DCS나 PLC Hardware를 경제적으로 구성을 할 수 있겠습니다.
   
   
2. Asset Management System을 통해서 사용자가 현장계기의 상태와 이력을 쉽게 관리할 수 있다.
   - DCS 혹은 PLC에서 자산관리시스템을 보유하고 있는 경우, 현장 계기의 현재 상태의 감시와 더불어 사용자가 원격으로 설정값 조정 등을 수행할 수 있게 합니다.
   
   
3. HART Communicator를 이용해 현장에서 계기의 설정값 변경 Calibration 작업 등을 수행할 수 있다.
   - 이는 2번 내용과 중복되는 내용이긴 하나, 자산관리시스템이 별도로 구성되어 있지 않은 경우 혹은 현장에서 직접 Handheld Communicator를 이용해서 수정 작업을 하는 경우에 HART 지원 계기들은 단말기를 이용해서 쉽게 수정 작업이 가능하다는 장점이 있습니다. 

 

AMS Trex Device Communicator@Emerson

 
 앞서 열거란 장점으로 인해, 최근 플랜트 현장에서는 HART가 일반적으로 사용되는 편입니다.
 
하지만, 현장에 적용 시 고려해야 할 사항 또한 있습니다.(사실, 금액적인 측면을 제외한다면 단점이랄 게 없다고 생각합니다.)
 

1. HART 전용 Analog I/O 모듈이 필요하다.
   - 최근 플랜트 DCS의 경우, 거의 기본값으로 Convetional 아날로그 I/O가 아닌 HART I/O를 사용하고 있지만, PLC를 사용하는 FA 환경에서는 HART 지원 I/O 모듈을 범용적으로 사용하지 않다보니 HART I/O 와 Convetional I/O를 비교하자면 금액적인 부분에서 차이가 날 수 있습니다. 또한, Engineering 단계에서 추가적인 시간과 비용이 수반될 수도 있을것입니다.
   - 혹은, HART to MODBUS/TCP or MODBUS/RTU와 같은 컨버터를 이용하는 방법도 고려할 수 있을 것입니다.
   
   
2. 여타 다른 통신 방식보다 느리다.
   - 앞서 설명한 바와 같이 HART의 통신 속도는 1,200 Bps이며, 여타 다른 필드버스보다 느린 감이 없지 않습니다. 더욱이 HART Analog I/O 모듈에서 각 포인트에 대한 개별 Scan time이 있다 보니, 사용자가 기대하는 속도와는 괴리가 있을 수도 있다는 점을 고려해야 합니다.
   - 따라서, 빠른 응답을 필요로 하는 환경에서는 HART를 통해서가 아닌 개별 Analog 신호로 받는 경우 또한 고려되어야 할 것입니다.
   
   

마치며,

 
 이번 포스팅에서는 HART Protocol에 대해서 그리고 현장에서의 활용에 대해서 이야기하였습니다.
 
 사실, 최근 Plant에서는 HART 프로토콜이 대중적으로 사용되다 보니, 계기를 선정하거나 제어시스템을 선정할 때 크게 고민할만한 사항은 아니라고 생각됩니다.
 

Rosemoun 2051L 레벨 트랜스미터@Emerson

 
앞서 소개한 내용을 바탕으로, 현업에서 사용 중인 현장 디바이스 제품의 Catalog나 Manual상에 HART 통신 지원이라고 명기되어 있다면, 
 

'HART가 지원되니 우리 사업장에서 XX 기능을 활용할 수 있겠구나.'

 
정도로 이해하면 되지 않을까 싶습니다.
문의사항이나 오류는 메일이나 댓글로 연락 주시면 감사하겠습니다.
 
 

* 본 포스팅에서 언급된 모듈이나 제조사와 필자는 무관함을 알립니다.

 
 
도움이 되셨다면 왼쪽 아래 '💗' 클릭 부탁드립니다. 감사합니다.