1.0 介紹

HART是可尋址遠程傳感器高速公路的首字母縮寫，是一種開放過程控制網(wǎng)絡協(xié)議，于20世紀80年代末引入。它是一種混合通信協(xié)議，采用貝爾202頻移鍵控(FSK)技術(shù)將數(shù)字通信信號疊加在模擬4-20 mA電流環(huán)路信號上。由HART交流基金會(HCF)管理。與應用于工藝儀表的其他開放數(shù)字通信技術(shù)不同，HART與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。

多年來，過程自動化和控制行業(yè)主要由4-20 mA模擬信號攜帶過程變量和控制信號進出控制室。HART協(xié)議通過附加的雙向數(shù)字通信擴展了這種模擬通信，由同一布線同時進行。這種數(shù)字信號被稱為HART信號，攜帶設備配置、診斷信息、校準和任何額外的工藝測量。HART協(xié)議的一些特點如下:

• 同時包含模擬和數(shù)字通信
• 與傳統(tǒng)的模擬儀表方案兼容
• 支持多變量現(xiàn)場設備
• 可通過兩個主機靈活的數(shù)據(jù)訪問
• 事實上的開放標準
• 向后兼容
• 唯一支持模擬和數(shù)字的協(xié)議，不像其他現(xiàn)場總線本質(zhì)上是數(shù)字的
• 點對點或多點操作
• 約為0.5秒的響應時間

2.0 HART協(xié)議的演變與發(fā)展

HART在20世紀80年代由 Rosemount 引進。最初的想法是支持4-20毫安回路電流與數(shù)字過程變量信號。 HART的診斷、校準、故障排除等能力使其得到越來越多的接受，特別是能用現(xiàn)有的電纜來傳輸HART信號。

HART是唯一在同一對導線上同時支持模擬和數(shù)字(混合)通信的協(xié)議。由于HART的廣泛接受性，HART交流基金會(HCF)于1993年成立。

3.0 HART和智能設備

智能現(xiàn)場設備和HART技術(shù)的發(fā)展幾乎同時進行。隨著智能現(xiàn)場設備中出現(xiàn)越來越多的功能，對HART技術(shù)的要求也越來越高。這導致了兩者的進一步發(fā)展。智能儀器與可編程邏輯控制器(PLC)、計算機等連接，通過數(shù)字通信技術(shù)收集傳感器、執(zhí)行器或現(xiàn)場儀器數(shù)據(jù)和診斷信息。

大多數(shù)智能儀器具有以下功能:零點、精度和量程調(diào)整、驗證健康狀況的診斷、內(nèi)存的存儲狀態(tài)和配置信息等。它們支持與控制器的雙向通信;對工藝信號和工藝變量進行數(shù)字化校正。它們包含執(zhí)行測量和相應采取控制行動的軟件。智能儀器增加了更高的分辨率，更高的精度，最重要的是增加了過程的可靠性。在現(xiàn)場，通過與HART技術(shù)相關(guān)聯(lián)的手持控制器，可以在幾分鐘內(nèi)驗證各種診斷。

最初，HART主要是為過程變量(PV)而開發(fā)的。后來，PV還包括變頻器的上限和下限等。后來加入了狀態(tài)信息，以提供更多的功能。

當今的智能現(xiàn)場設備幾乎都是多變量的，HART技術(shù)能夠完美支持。例如，流量計包括一個累加器和一個數(shù)據(jù)記錄器。最初，系統(tǒng)制造商在開發(fā)與HART相關(guān)的全部功能方面進展緩慢，但隨著時間的推移，人們逐漸認識到這一點，今天，HART兼容的多變量現(xiàn)場設備的龐大安裝基礎(chǔ)已使HART得到充分利用。

4.0 HART編碼與波形

HART協(xié)議利用FSK技術(shù)將數(shù)字通信疊加在4-20 mA信號之上。數(shù)字FSK信號是相位連續(xù)的，具有0.5 mA振幅，有兩個不同的頻率，1200和2200 Hz，分別表示二進制1和0。由于正弦波在一段時間內(nèi)的平均直流值為零，F(xiàn)SK信號在4-20 mA模擬信號上不添加任何直流分量。

上圖，顯示了在4-20 mA模擬信號上疊加的數(shù)字HART信號。

HART現(xiàn)場設備和中央控制器有FSK調(diào)制解調(diào)器- FSK調(diào)制的HART信號通過相同的電線與4-20毫安模擬信號一起攜帶。在控制器上，HART信號被解調(diào)并采取相應的操作。

5.0 HART 的特性

HART使用異步模式進行通信。因此, HART數(shù)據(jù)一次傳輸一個字節(jié)，沒有任何時鐘信號。 HART字符由11位組成，如下圖所示。

6.0 尋址

HART尋址有兩種類型:輪詢地址和唯一標識符。 輪詢地址是單字節(jié)地址，也稱為短地址。唯一標識符是五個字節(jié)，也稱為長地址。

短幀和長幀的地址字段格式如下圖所示

短地址的一個位區(qū)分兩個主設備地址，而另一個位表示突發(fā)模式。其余4位區(qū)分現(xiàn)場設備(從0到15，0表示單設備模式，1-15表示多支路模式）。輪詢地址格式用于不支持長地址格式的老的HART設備。

5字節(jié)唯一標識符是一個硬件地址,它由一個字節(jié)制造商代碼、一個字節(jié)設備類型代碼和三個字節(jié)的序列號組成。這個5個字節(jié)ID對于每個設備來說是唯一的。HCF管理制造商代碼,該代碼消除了任何兩個HART設備的重復地址的可能性。主設備用這個獨特的長地址與從設備通信。

在單設備模式下,主設備輪詢地址0，得到唯一的從設備ID。在多支路模式下,主設備檢查所有的輪詢地址0-15來檢查設備是否存在。然后,主設備在網(wǎng)絡上展示了一個存在設備列表。用戶可以進入預定設備的標簽,主設備也會進行相同的廣播。帶著獨特身份的從設備標簽響應主設備的查詢。短址和長地址都可以表示從設備在與那個主設備交換信息,也可以表示從設備是否在使用突發(fā)中模式。

7.0 仲裁

仲裁保證了主設備和從設備之間正確的消息傳輸。可以是主/從模式或突發(fā)模式。在主/從模式中，主設備通過請求從設備啟動消息傳輸。而從設備只響應來自主設備的查詢。主/從操作模式下的從設備永遠不能發(fā)起通信。

網(wǎng)絡上可以有兩個主設備，一個主設備和一個輔助主設備（通常是一個手持終端）。兩個主設備之間的仲裁是基于時機的。

從突發(fā)模式和主/從模式一樣，是由主設備的命令發(fā)起的。突發(fā)模式下，不需要來自主設備的請求幀，從設備就會生成響應信息。數(shù)據(jù)更新速度更快，因為從設備在沒有主設備請求的情況下繼續(xù)傳輸。

一個幀，無論是來自主設備還是從設備，只有在確保在那個時間點沒有傳輸占用網(wǎng)絡，才被傳輸。由定時器負責，控制主設備、輔助主設備、從設備或突發(fā)模式的從設備，對網(wǎng)絡的訪問。兩個主設備在訪問總線時具有同等的優(yōu)先級。如果兩個主設備都必須重復訪問總線，那么它們將交替進行。突發(fā)模式從設備等待的時間比主設備長，允許主設備控制這些從設備（繼續(xù)或取消突發(fā)模式）。

8.0 通信模式

采用HART協(xié)議的通信可以是主/從模式或突發(fā)模式。HART通信環(huán)路可能有兩個主設備:主設備和輔助主設備。主設備通常是一個系統(tǒng)主機，可以是一個分布式控制系統(tǒng)(DCS)、一個PLC或一臺個人計算機(PC)。輔助主設備可以是一個手持配置工具(即手持終端)，用于偶爾配置不同的工藝參數(shù)。從設備可以是變送器或閥門調(diào)節(jié)器。突發(fā)模式配置為主設備提供連續(xù)的特定信息，直到被告知停止。它提供了比主/從模式更快的通信，并用于單從設備配置。

9.0 HART網(wǎng)絡

HART網(wǎng)絡可以在兩種配置下運行:點對點和多點模式。

在下圖所示的點對點網(wǎng)絡中，傳統(tǒng)的4-20 mA電流信號用于控制過程，不受HART信號的影響。配置參數(shù)通過HART協(xié)議進行數(shù)字傳輸。

HART多分支通信網(wǎng)絡用于設備間距較寬的情況。如下圖所示，與主設備通信只需要兩根電線。如果需要，配置IS屏蔽和輔助電源可用于多達15個設備。設備的所有輪詢地址都設置為大于零和設備電流的值限制在典型值4毫安。

多點網(wǎng)絡允許兩個有線設備并行連接。從設備單個變量讀取信息的時間通常為500毫秒，當15個設備連接到網(wǎng)絡時，完全通過一次網(wǎng)絡周期大約需要7.5秒。

10. 現(xiàn)場設備校準

HART設備需要偶爾校準，以確保傳感器的輸出代表真實的工藝值。任何HART現(xiàn)場設備都有變送器模塊、量程模塊和數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊需要這種校準。

這類現(xiàn)場設備的校準包括數(shù)字過程值的校準，其適當?shù)目s放，轉(zhuǎn)換到所需的范圍，最后發(fā)送4-20 mA的電流值。過程輸出依次到變送器模塊、量程或量程轉(zhuǎn)換模塊，最后到DAQ模塊。

下圖，顯示啟用了HART的現(xiàn)場設備的校準步驟。

變送器模塊涉及將模擬變送器值與內(nèi)部生成的可追溯參考值進行比較。這種比較決定是否需要對現(xiàn)場設備進行校準，這可以通過使用HART協(xié)議來完成。如果需要，就可以使用HART協(xié)議，對現(xiàn)場設備執(zhí)行必要的調(diào)整。

量程模塊分別使用4 mA和20 mA的上下量程值，將這些傳感器值轉(zhuǎn)換為上下量程百分比值（前者指的是0%，后者指的是100%）。量程模塊輸出可以是線性或平方根形式（比如流體類型的過程變量）。

量程模塊的輸出被傳遞給DAQ塊，然后該模塊將百分比范圍值轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流信號。由于不涉及運動部件，所以對電流回路的校準不是很需要。這里的調(diào)整稱為電流精度微調(diào)。

11.0 HART 通信層

HART協(xié)議遵循七層開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，盡管它只使用三層:應用程序?qū)?、?shù)據(jù)鏈路層和物理層。HART和OSI模型層如下表所示：

11.1 物理層

HART采用基于Bell 202標準的FSK調(diào)制解調(diào)器物理層。這種調(diào)制具有魯棒性和很好的抗噪性。在發(fā)送端和接收端分別使用HART調(diào)制芯片進行調(diào)制和解調(diào).

HART設備既支持傳統(tǒng)的4-20 mA電流信號，也支持調(diào)制HART通信。它們占用不同的通信頻帶，如下圖所示。由于它們互不干擾的特性，兩種通信可以同時進行。HART通信信號被模擬設備過濾掉，因此它們不受HART信號的影響。因此，4-20 mA輸入或輸出的設備在控制回路中工作得很好。

11.2 數(shù)據(jù)鏈路層

HART消息幀格式，通常稱為HART電報，如下圖所示。它由9個字段組成。

前導碼是最先發(fā)送的消息中的第一個字段，它喚醒并同步網(wǎng)絡中連接設備的所有接收器。分界符是一個單字節(jié)字段，表示前導碼的結(jié)束。 分界符是一個開始字段，它的內(nèi)容表示該幀是來自主設備的請求、從設備的響應還是突發(fā)模式下從設備的請求。它還指示所使用的地址是輪詢地址還是惟一ID。

接下來的地址字段可以是一個字節(jié)(短幀格式)表示輪詢地址，也可以是五個字節(jié)(長幀格式)表示唯一ID地址。

第四個字段是命令字段，是單字節(jié)的。它表示與消息相關(guān)聯(lián)的HART命令。字節(jié)數(shù)量為單字節(jié)長度，指示消息還剩下多少字節(jié)需要完成，不包括校驗和。因此，接收方可以從該字段提供的信息中檢查消息的結(jié)束。

響應代碼也是單字節(jié)的，只包含在響應消息中。如果錯誤地接收到消息，從設備的這個響應字段將指示接收到的消息中發(fā)生的錯誤類型。 該字段還將表示正確的消息接收。字段設備狀態(tài)(一個單字節(jié)字段)包含在響應消息中，以指示設備的健康狀況。

數(shù)據(jù)字段可以包含從無到24字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層中不進行解釋，而只是傳遞到應用程序?qū)?。校驗和為單字?jié)校驗，為縱向循環(huán)冗余校驗 (CRC)類型。如果正確接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送端校驗和值將與接收端校驗和相同。

11.3 應用層

HART命令定義在HART協(xié)議的應用層。HART主設備和程序的通信例程基于這些命令。來自主設備的命令可以查找數(shù)據(jù)、啟動服務或診斷信息。而從設備則將所需的信息發(fā)回給主設備。

HART命令集包括三種類型的命令:通用命令、通用操作命令和設備特定命令。主設備應用程序可以實現(xiàn)特定應用程序的任何命令類型。

12.0 設備描述

通用命令確保了HART設備的互操作性和開放性,而不用考慮制造商。這在用戶只需要標準狀態(tài)和故障消息時，能滿足。如果需要一些特定于設備的信息或設備的一些特殊屬性,那么通用命令就不夠了。主設備的軟件必須適應這種偶然的設備相關(guān)信息或新設備包含在系統(tǒng)中。這就是設備描述語言(DDL)的用途。

DDL不僅限于與HART相關(guān)的應用程序,還可以應用于其他的現(xiàn)場總線。DDL就像一種編程語言,它使設備制造商能夠以完整而全面的方式描述所有的通信。它是一個強大的工具,在配置和設備特定特性時提供了顯著的好處。

DDL支持所有擴展。因此,任何設備或制造商特定的命令都可以由DDL執(zhí)行,用戶將提供一個普遍適用的和統(tǒng)一的用戶接口。因此,這需要一個清晰的、用戶友好的、更安全的操作和監(jiān)控過程。

DDL編碼器以二進制編碼DD數(shù)據(jù)的形式讀取設備描述，并可由主設備讀取。如果設備有足夠的存儲空間，該DD可以存儲在其固件中。在參數(shù)化階段，它可以被主設備讀取。

13.0 HART的優(yōu)點

HART協(xié)議是一種獨特的向后兼容的通信設施，確保在工廠電纜和電力需求方面的現(xiàn)有投資在未來也保持安全。它是唯一一個同時支持模擬和數(shù)字通信(混合)的通信設施。通過保留傳統(tǒng)的4-20 mA信號，它擴展了系統(tǒng)與多變量智能現(xiàn)場儀器的雙向數(shù)字通信能力。任何流程應用程序都可以由由HART協(xié)議提供服務處理。