何謂HART？HART協議有哪些特點？HART網絡如何運行的？

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絡協議，于20世紀80年代末引入。它是一種混合通信協議，采用貝爾202頻移鍵控(FSK)技術將數字通信信號疊加在模擬4-20 mA電流環路信號上。由HART交流基金會(HCF)管理。與應用于工藝儀表的其他開放數字通信技術不同，HART與現有系統兼容。

多年來，過程自動化和控制行業主要由4-20 mA模擬信號攜帶過程變量和控制信號進出控制室。HART協議通過附加的雙向數字通信擴展了這種模擬通信，由同一布線同時進行。這種數字信號被稱為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協議的一些特點如下:

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

2.0 HART協議的演變與發展

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字(混合)通信的協議。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

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

大多數智能儀器具有以下功能:零點、精度和量程調整、驗證健康狀況的診斷、內存的存儲狀態和配置信息等。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字化校正。它們包含執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。在現場，通過與HART技術相關聯的手持控制器，可以在幾分鐘內驗證各種診斷。

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

當今的智能現場設備幾乎都是多變量的，HART技術能夠完美支持。例如，流量計包括一個累加器和一個數據記錄器。最初，系統制造商在開發與HART相關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兼容的多變量現場設備的龐大安裝基礎已使HART得到充分利用。

4.0 HART編碼與波形

HART協議利用FSK技術將數字通信疊加在4-20 mA信號之上。數字FSK信號是相位連續的，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的平均直流值為零，FSK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字HART信號。

HART現場設備和中央控制器有FSK調制解調器- FSK調制的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數據一次傳輸一個字節，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。 輪詢地址是單字節地址，也稱為短地址。唯一標識符是五個字節，也稱為長地址。

短幀和長幀的地址字段格式如下圖所示

短地址的一個位區分兩個主設備地址，而另一個位表示突發模式。其余4位區分現場設備(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字節唯一標識符是一個硬件地址,它由一個字節制造商代碼、一個字節設備類型代碼和三個字節的序列號組成。這個5個字節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?？梢允侵?從模式或突發模式。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起通信。

網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。

從突發模式和主/從模式一樣，是由主設備的命令發起的。突發模式下，不需要來自主設備的請求幀，從設備就會生成響應信息。數據更新速度更快，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、從設備或突發模式的從設備，對網絡的訪問。兩個主設備在訪問總線時具有同等的優先級。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（繼續或取消突發模式）。

8.0 通信模式

采用HART協議的通信可以是主/從模式或突發模式。HART通信環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主機，可以是一個分布式控制系統(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。從設備可以是變送器或閥門調節器。突發模式配置為主設備提供連續的特定信息，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網絡

HART網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絡中，傳統的4-20 mA電流信號用于控制過程，不受HART信號的影響。配置參數通過HART協議進行數字傳輸。

HART多分支通信網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個設備連接到網絡時，完全通過一次網絡周期大約需要7.5秒。

10. 現場設備校準

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現場設備都有變送器模塊、量程模塊和數據采集(DAQ)模塊需要這種校準。

這類現場設備的校準包括數字過程值的校準，其適當的縮放，轉換到所需的范圍，最后發送4-20 mA的電流值。過程輸出依次到變送器模塊、量程或量程轉換模塊，最后到DAQ模塊。

下圖，顯示啟用了HART的現場設備的校準步驟。

變送器模塊涉及將模擬變送器值與內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場設備進行校準，這可以通過使用HART協議來完成。如果需要，就可以使用HART協議，對現場設備執行必要的調整。

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換為環路電流信號。由于不涉及運動部件，所以對電流回路的校準不是很需要。這里的調整稱為電流精度微調。

11.0 HART 通信層

HART協議遵循七層開放系統互連(OSI)模型，盡管它只使用三層:應用程序層、數據鏈路層和物理層。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調制解調器物理層。這種調制具有魯棒性和很好的抗噪性。在發送端和接收端分別使用HART調制芯片進行調制和解調.

HART設備既支持傳統的4-20 mA電流信號，也支持調制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 數據鏈路層

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。

前導碼是最先發送的消息中的第一個字段，它喚醒并同步網絡中連接設備的所有接收器。分界符是一個單字節字段，表示前導碼的結束。 分界符是一個開始字段，它的內容表示該幀是來自主設備的請求、從設備的響應還是突發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(短幀格式)表示輪詢地址，也可以是五個字節(長幀格式)表示唯一ID地址。

第四個字段是命令字段，是單字節的。它表示與消息相關聯的HART命令。字節數量為單字節長度，指示消息還剩下多少字節需要完成，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束。

響應代碼也是單字節的，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(一個單字節字段)包含在響應消息中，以指示設備的健康狀況。

數據字段可以包含從無到24字節的數據。數據在數據鏈路層中不進行解釋，而只是傳遞到應用程序層。校驗和為單字節校驗，為縱向循環冗余校驗 (CRC)類型。如果正確接收數據，則發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據、啟動服務或診斷信息。而從設備則將所需的信息發回給主設備。

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信息或新設備包含在系統中。這就是設備描述語言(DDL)的用途。

DDL不僅限于與HART相關的應用程序,還可以應用于其他的現場總線。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執行,用戶將提供一個普遍適用的和統一的用戶接口。因此,這需要一個清晰的、用戶友好的、更安全的操作和監控過程。

DDL編碼器以二進制編碼DD數據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。在參數化階段，它可以被主設備讀取。

13.0 HART的優點

HART協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字通信(混合)的通信設施。通過保留傳統的4-20 mA信號，它擴展了系統與多變量智能現場儀器的雙向數字通信能力。任何流程應用程序都可以由由HART協議提供服務處理。