Phần 2 – Nguyên lý truyền thông HART: FSK trên nền tín hiệu 4–20mA

Trong Phần 1, chúng ta đã tìm hiểu khái niệm và vai trò của giao thức HART trong đo lường và tự động hóa công nghiệp. Ở phần này, BKAII sẽ đi sâu vào nguyên lý truyền thông cốt lõi của HART: cách dữ liệu số được truyền trên cùng đường dây với tín hiệu analog 4–20mA mà không làm ảnh hưởng đến quá trình đo lường.

---

1. Bài toán truyền thông trong hệ thống đo lường 4–20mA

Tín hiệu 4–20mA từ lâu đã trở thành chuẩn trong công nghiệp nhờ khả năng chống nhiễu tốt, truyền xa và ổn định. Tuy nhiên, tín hiệu analog truyền thống chỉ phản ánh giá trị đo tức thời, không thể cung cấp các thông tin quan trọng như:

• Thông số cấu hình thiết bị
• Trạng thái hoạt động, cảnh báo, lỗi
• Dữ liệu chẩn đoán phục vụ bảo trì

HART ra đời để giải quyết bài toán này bằng cách bổ sung một kênh truyền dữ liệu số trên cùng đường dây 4–20mA, mà không cần thay đổi hạ tầng dây dẫn.

---

2. Nguyên lý điều chế FSK trong HART

HART sử dụng kỹ thuật FSK – Frequency Shift Keying (dịch tần số) theo chuẩn Bell 202. Thay vì thay đổi biên độ dòng điện, HART chồng tín hiệu xoay chiều tần số thấp lên dòng DC 4–20mA.

• 1200 Hz → biểu diễn bit logic “1”
• 2200 Hz → biểu diễn bit logic “0”
• Tốc độ truyền: 1200 bps

Do tín hiệu FSK có giá trị trung bình bằng 0, nên nó không làm thay đổi giá trị dòng 4–20mA. Nhờ đó:

• Giá trị đo analog vẫn chính xác
• Dữ liệu số HART được truyền song song
• Hệ thống đo không bị gián đoạn

---

3. Vì sao HART không làm ảnh hưởng đến tín hiệu analog?

Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của giao thức HART là khả năng truyền dữ liệu số mà không làm sai lệch tín hiệu đo analog 4–20mA. Điều này đạt được nhờ cách thiết kế tín hiệu và cơ chế xử lý rất thông minh.

Bản chất của nguyên lý này nằm ở ba yếu tố then chốt sau:

3.1. Tín hiệu số là AC, tín hiệu đo là DC

Trong hệ thống HART, tín hiệu đo lường chính (áp suất, lưu lượng, mức, nhiệt độ…) được biểu diễn bằng dòng điện DC 4–20mA. Đây là tín hiệu analog liên tục, ổn định và đã được sử dụng phổ biến trong công nghiệp từ nhiều thập kỷ.

Trong khi đó, dữ liệu số HART không thay đổi giá trị DC của dòng 4–20mA, mà được chồng lên dưới dạng tín hiệu xoay chiều (AC), thông qua cơ chế điều chế FSK (Frequency Shift Keying).

Nói cách khác:

• Dòng DC 4–20mA mang thông tin đo lường chính
• Tín hiệu AC FSK mang dữ liệu số HART

Hai thành phần này cùng tồn tại trên một dây nhưng không can thiệp trực tiếp vào nhau.

Lưu ý: Trong HART, khái niệm AC không phải là điện xoay chiều 220V, mà là thành phần tín hiệu xoay chiều có biên độ rất nhỏ, được chồng lên dòng điện DC 4–20mA. Thành phần AC này mang dữ liệu số HART dưới dạng điều chế FSK, trong khi thành phần DC vẫn giữ nguyên để biểu diễn giá trị đo.

3.2. Biên độ tín hiệu FSK rất nhỏ so với dòng 4–20mA

Tín hiệu FSK của HART có biên độ rất nhỏ, chỉ dao động quanh giá trị dòng 4–20mA (vài trăm microampere). Do đó, sự thay đổi này không đủ lớn để làm thay đổi giá trị đo analog mà hệ thống điều khiển (PLC, DCS, SCADA) đang đọc.

Từ góc nhìn của hệ thống điều khiển:

• Tín hiệu analog vẫn là một dòng DC ổn định
• Nhiễu AC nhỏ từ HART bị “bỏ qua” trong quá trình đo

Nhờ đó, độ chính xác của tín hiệu 4–20mA vẫn được giữ nguyên, kể cả khi dữ liệu số đang được truyền song song.

3.3. Thiết bị đo và hệ thống điều khiển có bộ lọc tách AC/DC

Các thiết bị HART (transmitter, modem, I/O module) được thiết kế với bộ lọc chuyên dụng để tách biệt hai thành phần tín hiệu:

• Bộ lọc thông thấp (Low-pass filter): chỉ cho thành phần DC đi qua, phục vụ đo lường analog 4–20mA
• Bộ lọc thông cao (High-pass filter): tách thành phần AC FSK, phục vụ giải mã dữ liệu số HART

Nhờ các bộ lọc này:

• PLC/DCS chỉ “nhìn thấy” tín hiệu analog 4–20mA
• Modem HART chỉ xử lý dữ liệu số

Hai hệ thống hoạt động song song nhưng độc lập, không gây nhiễu lẫn nhau.

Chính nhờ sự kết hợp giữa tách AC/DC, biên độ tín hiệu nhỏ và cơ chế điều chế FSK, HART cho phép vừa đo lường analog ổn định, vừa giao tiếp số thông minh trên cùng một vòng lặp 4–20mA.

---

4. Cơ chế truyền thông half-duplex của HART

HART là giao thức half-duplex, nghĩa là không truyền và nhận đồng thời. Tại một thời điểm:

• Hoặc Master gửi lệnh
• Hoặc thiết bị hiện trường phản hồi

Cơ chế này phù hợp với:

• Tốc độ truyền thấp (1200 bps)
• Môi trường đo lường cần độ ổn định cao
• Hệ thống không yêu cầu thời gian thực cứng

Trong thực tế, HART cho phép hai Master cùng tồn tại:

• Master sơ cấp: PLC / DCS
• Master thứ cấp: thiết bị cầm tay, phần mềm cấu hình

Việc này giúp kỹ sư cấu hình, kiểm tra, bảo trì thiết bị mà không làm gián đoạn vận hành nhà máy.

---

---