何謂HART？HART協(xié)議有哪些特點(diǎn)？HART網(wǎng)絡(luò)如何運(yùn)行的？

1.0 介紹

HART是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的首字母縮寫(xiě)，是一種開(kāi)放過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，于20世紀(jì)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(hào)疊加在模擬4-20 mA電流環(huán)路信號(hào)上。由HART交流基金會(huì)(HCF)管理。與應(yīng)用于工藝儀表的其他開(kāi)放數(shù)字通信技術(shù)不同，HART與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。

多年來(lái)，過(guò)程自動(dòng)化和控制行業(yè)主要由4-20 mA模擬信號(hào)攜帶過(guò)程變量和控制信號(hào)進(jìn)出控制室。HART協(xié)議通過(guò)附加的雙向數(shù)字通信擴(kuò)展了這種模擬通信，由同一布線同時(shí)進(jìn)行。這種數(shù)字信號(hào)被稱(chēng)為HART信號(hào)，攜帶設(shè)備配置、診斷信息、校準(zhǔn)和任何額外的工藝測(cè)量。HART協(xié)議的一些特點(diǎn)如下:

• 同時(shí)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(chǎng)設(shè)備
• 可通過(guò)兩個(gè)主機(jī)靈活的數(shù)據(jù)訪問(wèn)
• 事實(shí)上的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)
• 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(chǎng)總線本質(zhì)上是數(shù)字的
• 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)操作
• 約為0.5秒的響應(yīng)時(shí)間

2.0 HART協(xié)議的演變與發(fā)展

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

HART是唯一在同一對(duì)導(dǎo)線上同時(shí)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(huì)(HCF)于1993年成立。

3.0 HART和智能設(shè)備

智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和HART技術(shù)的發(fā)展幾乎同時(shí)進(jìn)行。隨著智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中出現(xiàn)越來(lái)越多的功能，對(duì)HART技術(shù)的要求也越來(lái)越高。這導(dǎo)致了兩者的進(jìn)一步發(fā)展。智能儀器與可編程邏輯控制器(PLC)、計(jì)算機(jī)等連接，通過(guò)數(shù)字通信技術(shù)收集傳感器、執(zhí)行器或現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)、精度和量程調(diào)整、驗(yàn)證健康狀況的診斷、內(nèi)存的存儲(chǔ)狀態(tài)和配置信息等。它們支持與控制器的雙向通信;對(duì)工藝信號(hào)和工藝變量進(jìn)行數(shù)字化校正。它們包含執(zhí)行測(cè)量和相應(yīng)采取控制行動(dòng)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(guò)程的可靠性。在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)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(yàn)證各種診斷。

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

當(dāng)今的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備幾乎都是多變量的，HART技術(shù)能夠完美支持。例如，流量計(jì)包括一個(gè)累加器和一個(gè)數(shù)據(jù)記錄器。最初，系統(tǒng)制造商在開(kāi)發(fā)與HART相關(guān)的全部功能方面進(jìn)展緩慢，但隨著時(shí)間的推移，人們逐漸認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，今天，HART兼容的多變量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(hào)之上。數(shù)字FSK信號(hào)是相位連續(xù)的，具有0.5 mA振幅，有兩個(gè)不同的頻率，1200和2200 Hz，分別表示二進(jìn)制1和0。由于正弦波在一段時(shí)間內(nèi)的平均直流值為零，F(xiàn)SK信號(hào)在4-20 mA模擬信號(hào)上不添加任何直流分量。

上圖，顯示了在4-20 mA模擬信號(hào)上疊加的數(shù)字HART信號(hào)。

HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和中央控制器有FSK調(diào)制解調(diào)器- FSK調(diào)制的HART信號(hào)通過(guò)相同的電線與4-20毫安模擬信號(hào)一起攜帶。在控制器上，HART信號(hào)被解調(diào)并采取相應(yīng)的操作。

5.0 HART 的特性

HART使用異步模式進(jìn)行通信。因此, HART數(shù)據(jù)一次傳輸一個(gè)字節(jié)，沒(méi)有任何時(shí)鐘信號(hào)。 HART字符由11位組成，如下圖所示。

6.0 尋址

HART尋址有兩種類(lèi)型:輪詢(xún)地址和唯一標(biāo)識(shí)符。 輪詢(xún)地址是單字節(jié)地址，也稱(chēng)為短地址。唯一標(biāo)識(shí)符是五個(gè)字節(jié)，也稱(chēng)為長(zhǎng)地址。

短幀和長(zhǎng)幀的地址字段格式如下圖所示

短地址的一個(gè)位區(qū)分兩個(gè)主設(shè)備地址，而另一個(gè)位表示突發(fā)模式。其余4位區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(從0到15，0表示單設(shè)備模式，1-15表示多支路模式）。輪詢(xún)地址格式用于不支持長(zhǎng)地址格式的老的HART設(shè)備。

5字節(jié)唯一標(biāo)識(shí)符是一個(gè)硬件地址,它由一個(gè)字節(jié)制造商代碼、一個(gè)字節(jié)設(shè)備類(lèi)型代碼和三個(gè)字節(jié)的序列號(hào)組成。這個(gè)5個(gè)字節(jié)ID對(duì)于每個(gè)設(shè)備來(lái)說(shuō)是唯一的。HCF管理制造商代碼,該代碼消除了任何兩個(gè)HART設(shè)備的重復(fù)地址的可能性。主設(shè)備用這個(gè)獨(dú)特的長(zhǎng)地址與從設(shè)備通信。

在單設(shè)備模式下,主設(shè)備輪詢(xún)地址0，得到唯一的從設(shè)備ID。在多支路模式下,主設(shè)備檢查所有的輪詢(xún)地址0-15來(lái)檢查設(shè)備是否存在。然后,主設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上展示了一個(gè)存在設(shè)備列表。用戶(hù)可以進(jìn)入預(yù)定設(shè)備的標(biāo)簽,主設(shè)備也會(huì)進(jìn)行相同的廣播。帶著獨(dú)特身份的從設(shè)備標(biāo)簽響應(yīng)主設(shè)備的查詢(xún)。短址和長(zhǎng)地址都可以表示從設(shè)備在與那個(gè)主設(shè)備交換信息,也可以表示從設(shè)備是否在使用突發(fā)中模式。

7.0 仲裁

仲裁保證了主設(shè)備和從設(shè)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(shè)備通過(guò)請(qǐng)求從設(shè)備啟動(dòng)消息傳輸。而從設(shè)備只響應(yīng)來(lái)自主設(shè)備的查詢(xún)。主/從操作模式下的從設(shè)備永遠(yuǎn)不能發(fā)起通信。

網(wǎng)絡(luò)上可以有兩個(gè)主設(shè)備，一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)輔助主設(shè)備（通常是一個(gè)手持終端）。兩個(gè)主設(shè)備之間的仲裁是基于時(shí)機(jī)的。

從突發(fā)模式和主/從模式一樣，是由主設(shè)備的命令發(fā)起的。突發(fā)模式下，不需要來(lái)自主設(shè)備的請(qǐng)求幀，從設(shè)備就會(huì)生成響應(yīng)信息。數(shù)據(jù)更新速度更快，因?yàn)閺脑O(shè)備在沒(méi)有主設(shè)備請(qǐng)求的情況下繼續(xù)傳輸。

一個(gè)幀，無(wú)論是來(lái)自主設(shè)備還是從設(shè)備，只有在確保在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)沒(méi)有傳輸占用網(wǎng)絡(luò)，才被傳輸。由定時(shí)器負(fù)責(zé)，控制主設(shè)備、輔助主設(shè)備、從設(shè)備或突發(fā)模式的從設(shè)備，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)。兩個(gè)主設(shè)備在訪問(wèn)總線時(shí)具有同等的優(yōu)先級(jí)。如果兩個(gè)主設(shè)備都必須重復(fù)訪問(wèn)總線，那么它們將交替進(jìn)行。突發(fā)模式從設(shè)備等待的時(shí)間比主設(shè)備長(zhǎng)，允許主設(shè)備控制這些從設(shè)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(gè)主設(shè)備:主設(shè)備和輔助主設(shè)備。主設(shè)備通常是一個(gè)系統(tǒng)主機(jī)，可以是一個(gè)分布式控制系統(tǒng)(DCS)、一個(gè)PLC或一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)。輔助主設(shè)備可以是一個(gè)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(shè)備可以是變送器或閥門(mén)調(diào)節(jié)器。突發(fā)模式配置為主設(shè)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(shè)備配置。

9.0 HART網(wǎng)絡(luò)

HART網(wǎng)絡(luò)可以在兩種配置下運(yùn)行:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)模式。

在下圖所示的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的4-20 mA電流信號(hào)用于控制過(guò)程，不受HART信號(hào)的影響。配置參數(shù)通過(guò)HART協(xié)議進(jìn)行數(shù)字傳輸。

HART多分支通信網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)備間距較寬的情況。如下圖所示，與主設(shè)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(dá)15個(gè)設(shè)備。設(shè)備的所有輪詢(xún)地址都設(shè)置為大于零和設(shè)備電流的值限制在典型值4毫安。

多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)允許兩個(gè)有線設(shè)備并行連接。從設(shè)備單個(gè)變量讀取信息的時(shí)間通常為500毫秒，當(dāng)15個(gè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，完全通過(guò)一次網(wǎng)絡(luò)周期大約需要7.5秒。

10. 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備校準(zhǔn)

HART設(shè)備需要偶爾校準(zhǔn)，以確保傳感器的輸出代表真實(shí)的工藝值。任何HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(zhǔn)。

這類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的校準(zhǔn)包括數(shù)字過(guò)程值的校準(zhǔn)，其適當(dāng)?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(guò)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(chǎng)設(shè)備的校準(zhǔn)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(jìn)行比較。這種比較決定是否需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，這可以通過(guò)使用HART協(xié)議來(lái)完成。如果需要，就可以使用HART協(xié)議，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(lèi)型的過(guò)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(hào)。由于不涉及運(yùn)動(dòng)部件，所以對(duì)電流回路的校準(zhǔn)不是很需要。這里的調(diào)整稱(chēng)為電流精度微調(diào)。

11.0 HART 通信層

HART協(xié)議遵循七層開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型，盡管它只使用三層:應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行調(diào)制和解調(diào).

HART設(shè)備既支持傳統(tǒng)的4-20 mA電流信號(hào)，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(shí)進(jìn)行。HART通信信號(hào)被模擬設(shè)備過(guò)濾掉，因此它們不受HART信號(hào)的影響。因此，4-20 mA輸入或輸出的設(shè)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(chēng)為HART電報(bào)，如下圖所示。它由9個(gè)字段組成。

前導(dǎo)碼是最先發(fā)送的消息中的第一個(gè)字段，它喚醒并同步網(wǎng)絡(luò)中連接設(shè)備的所有接收器。分界符是一個(gè)單字節(jié)字段，表示前導(dǎo)碼的結(jié)束。 分界符是一個(gè)開(kāi)始字段，它的內(nèi)容表示該幀是來(lái)自主設(shè)備的請(qǐng)求、從設(shè)備的響應(yīng)還是突發(fā)模式下從設(shè)備的請(qǐng)求。它還指示所使用的地址是輪詢(xún)地址還是惟一ID。

接下來(lái)的地址字段可以是一個(gè)字節(jié)(短幀格式)表示輪詢(xún)地址，也可以是五個(gè)字節(jié)(長(zhǎng)幀格式)表示唯一ID地址。

第四個(gè)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(zhǎng)度，指示消息還剩下多少字節(jié)需要完成，不包括校驗(yàn)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(yīng)代碼也是單字節(jié)的，只包含在響應(yīng)消息中。如果錯(cuò)誤地接收到消息，從設(shè)備的這個(gè)響應(yīng)字段將指示接收到的消息中發(fā)生的錯(cuò)誤類(lèi)型。 該字段還將表示正確的消息接收。字段設(shè)備狀態(tài)(一個(gè)單字節(jié)字段)包含在響應(yīng)消息中，以指示設(shè)備的健康狀況。

數(shù)據(jù)字段可以包含從無(wú)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(jìn)行解釋?zhuān)皇莻鬟f到應(yīng)用程序?qū)?。校?yàn)和為單字節(jié)校驗(yàn)，為縱向循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)類(lèi)型。如果正確接收數(shù)據(jù)，則發(fā)送端校驗(yàn)和值將與接收端校驗(yàn)和相同。

11.3 應(yīng)用層

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

HART命令集包括三種類(lèi)型的命令:通用命令、通用操作命令和設(shè)備特定命令。主設(shè)備應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用程序的任何命令類(lèi)型。

12.0 設(shè)備描述

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

DDL不僅限于與HART相關(guān)的應(yīng)用程序,還可以應(yīng)用于其他的現(xiàn)場(chǎng)總線。DDL就像一種編程語(yǔ)言,它使設(shè)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(gè)強(qiáng)大的工具,在配置和設(shè)備特定特性時(shí)提供了顯著的好處。

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

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

13.0 HART的優(yōu)點(diǎn)

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