HART協定

HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可定址遠程感測器高速通道的開放通信協定，是美國ROSEMOUNT公司於1985年推出的一種用於現場智慧型儀表和控制室設備之間的通信協定。 HART裝置提供具有相對低的頻寬，適度回響時間的通信，經過10多年的發展，HART技術在國外已經十分成熟，並已成為全球智慧型儀表的工業標準。

基本介紹

• 中文名：HART協定
• 外文名：Highway Addressable Remote Transducer
• 屬性：通信協定
• 提出時間：1985年
• 提出者：美國ROSEMOUNT

簡介

1、HART協定採用基於Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數位訊號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2kbps。由於FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。在HART協定通信中主要的變數和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過HART協定訪問。

HART通信採用的是半雙工的通信方式，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數位訊號通信，屬於模擬系統向數字系統轉變過程中過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發展。HART 規定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設備都理解、都執行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現場設備（儘管不是全部）中實現，這類命令包括最常用的的現場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令，以便於工作在某些設備中實現特殊功能，這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通常可發現同時存在這三類命令。

HART採用統一的設備描述語言DDL。現場設備開發商採用這種標準語言來描述設備特性，由HART基金會負責登記管理這些設備描述並把它們編為設備描述字典，主設備運用DDL技術來理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開發專用接口。但由於這種模擬數字混合信號制，導致難以開發出一種能滿足各公司要求的通信接口晶片。HART能利用匯流排供電，可滿足本質安全防爆要求，並可組成由手持編程器與管理系統主機作為主設備的雙主設備系統。

HART規範

HART協定於80年代後期開發，並於90年代初移交到HART基金會。從那時起，它已經更新了好幾次。每一次的協定更新都確保更新向後兼容以前的版本。HART協定當前的版本是7.3版。“7”表示主修訂號碼，而“3”表示次修訂號碼。

HART協定實現了開放系統互連（OSI）7層協定模型的第1、2、3、4和7層：

協定物理層

以貝爾202標準為基礎，採用頻移鍵控（FSK），以1200bps的速率通信。代表0和1位值的信號頻率分別為2200和1200Hz。該低電平信號疊加在4到20mA的模擬測量信號之上，而不會對模擬信號造成任何干擾。

數據鏈路層

定義了一項主從協定 - 在正常使用下，現場設備只在收到信號時才作回答。可以有兩個主設備，例如，控制系統作為第一主設備，而手持HART通信器作為第二主設備。時序規則定義每個主設備可以開始通信事務的時間。單個多點線纜對可以連線多達15個或更多的從設備。

網路層

提供路由、端到端安全及傳輸服務。它管理與通信設備之間端到端通信的“會話”。

傳輸層

數據鏈路層確保通信成功地從一個設備到另一個設備傳播。傳輸層可以被用來確保端到端通信的成功。

套用層

定義了協定所支持的命令、回響、數據類型和狀態報告。在套用層，協定的公共命令分為四大類：

1. 通用命令 - 提供在所有現場設備都必須實現的功能
2. 常用命令 - 提供很多設備所共有的功能，但並不是所有的現場設備都具有的功能
3. 設備特定命令 - 提供某特定現場設備所特有的功能，由設備製造商所指定
4. 設備系列命令 - 為特定測量類型的儀器提供一套標準化的功能，允許無需使用設備特定指令便能進行完全的通用性訪問。

通用命令

HART命令0：讀標識碼

返回擴展的設備類型代碼，版本和設備標識碼。

請求：無

回響：

位元組0： 254

位元組1： 製造商ID

位元組2： 製造商設備類型

位元組3： 請求的前導符數

位元組4： 通用命令文檔版本號

位元組5： 變送器規範版本號

位元組6： 設備軟體版本號

位元組7： 設備硬體版本號

位元組8： 設備標誌

位元組9-11： 設備ID號

HART命令1：讀主變數（PV）

以浮點類型返回主變數的值。

請求：無

回響：

位元組0： 主變數單位代碼

位元組1-4： 主變數

HART命令2：讀主變數電流值和百分比

讀主變數電流和百分比，主變數電流總是匹配設備的AO輸出電流。百分比沒有限制在0-100%之間，如果超過了主變數的範圍，會跟蹤到感測器的上下限。

請求：無

回響：

位元組0-3： 主變數電流，單位毫安

位元組4-7： 主變數量程百分比

HART命令3：讀動態變數和主變數電流

讀主變數電流和4個（最多）預先定義的動態變數，主變數電流總是匹配設備的AO輸出電流。每種設備類型都定義的第二、第三和第四變數，如第二變數是感測器溫度等。

請求：無

回響：

位元組0-3： 主變數電流，單位毫安

位元組4： 主變數單位代碼

位元組5-8： 主變數

位元組9： 第二變數單位代碼

位元組10-13：第二變數

位元組14： 第三變數單位代碼

位元組15-18：第三變數

位元組19： 第四變數單位代碼

位元組20-23：第四變數

HART命令4：保留

HART命令5：保留

HART命令6：寫POLLING地址

這是數據鏈路層管理命令。這個命令寫Polling地址到設備，該地址用於控制主變數AO輸出和提供設備標識。

只有當設備的Polling地址被設成0時，設備的主變數AO才能輸出，如果地址是1~15則AO處於不活動狀態也不回響套用過程，此時AO被設成最小；並設定傳輸狀態第三位——主變數模擬輸出固定；上限/下限報警無效。如果Polling地址被改回0，則主變數AO重新處於活動狀態，也能夠回響套用過程。

請求：

位元組0： 設備的Polling地址

回響：

位元組0： 設備的Polling地址

HART命令7：

HART命令8：

HART命令9：

HART命令10：

HART命令11：用設備的Tag讀設備的標識

這是一個數據鏈路層管理命令。這個命令返回符合該Tag的設備的擴展類型代碼、版本和設備標識碼。當收到設備的擴展地址或廣播地址時執行該命令。回響訊息中的擴展地址和請求的相同。

請求：

位元組0-5： 設備的Tag，ASCII碼

回響：

位元組0： 254

位元組1： 製造商ID代碼

位元組2： 製造商設備類型代碼

位元組3： 請求的前導符數

位元組4： 通用命令文檔版本號

位元組5： 變送器版本號

位元組6： 本設備的軟體版本號

位元組7： 本設備的硬體版本號

位元組8： 設備的Flags

位元組9-11： 設備的標識號

HART命令12：讀訊息（Message）

讀設備含有的訊息。

請求：無

回響：

位元組0-23： 設備訊息，ASCII

HART命名13：讀標籤Tag，描述符Description和日期Date

讀設備的Tag，Description and Date。

請求：無

回響：

位元組0-5： 標籤Tag，ASCII

位元組6-17： 描述符，ASCII

位元組18-20：日期，分別是日、月、年-1900

HART命令14：讀主變數感測器信息

讀主變數感測器序列號、感測器極限/最小精度（Span）單位代碼、主變數感測器上限、主變數感測器下限和感測器最小精度。感測器極限/最小精度（Span）單位和主變數的單位相同。

請求：無

回響：

位元組0-2： 主變數感測器序列號

位元組3： 主變數感測器上下限和最小精度單位代碼

位元組4-7： 主變數感測器上限

位元組8-11： 主變數感測器下限

位元組12-15：主變數最小精度

HART命令15：讀主變數輸出信息

讀主變數報警選擇代碼、主變數傳遞（Transfer）功能代碼、主變數量程單位代碼、主變數上限值、主變數下限值、主變數阻尼值、防寫代碼和主發行商代碼。

請求：無

回響：

位元組0： 主變數報警選擇代碼

位元組1： 主變數傳遞Transfer功能代碼

位元組2： 主變數上下量程值單位代碼

位元組3-6： 主變數上限值

位元組7-10： 主變數下限值

位元組11-14：主變數阻尼值，單位秒

位元組15： 防寫代碼

位元組16： 商標發行商代碼Private Label Distributor Code

HART命令16：讀最終裝配號

讀設備的最終裝配號。

請求：無

回響：

位元組0-2： 最終裝配號

HART命令17：寫訊息

寫訊息到設備。

請求：

位元組0-23： 設備訊息，ASCII

回響：

位元組0-23： 設備訊息，ASCII

HART命令18：寫標籤、描述符和日期

寫標籤、描述符和日期到設備。

請求：

位元組0-5： 標籤Tag，ASCII

位元組6-17： 描述符Descriptor，ASCII

位元組18-20：日期

回響：

位元組0-5： 標籤Tag，ASCII

位元組6-17： 描述符Descriptor，ASCII

位元組18-20：日期

HART命令19：寫最後裝配號

寫最後裝配號到設備。

請求：

位元組0-2： 最終裝配號

回響：

位元組0-2： 最終裝配號

工作方式

“HART”是高速可定址遠程感測器的縮寫。HART協定利用貝爾202頻移鍵控（FSK）標準，將低電平的數字通信信號疊加在4 - 20mA之上。

圖1. 頻移鍵控（FSK）

這項技術實現了雙向現場通信，並使得同智慧型現場儀表傳輸比一般過程變數更多的信息成為可能。HART協定以1200 bps的速率通信，而不影響4 - 20mA信號，並允許一個主機應用程式（主設備），從智慧型現場設備每秒獲取兩次或兩次以上的數字更新。由於數字FSK信號是相位連續的，因而不會對4 - 20mA信號造成干擾。

HART技術是個主/從協定，這意味著，只有當主設備發出信號時，智慧型現場（從）設備才會傳送信號。HART協定可在多種模式下使用，如點到點或者多點模式，在智慧型現場儀表和中央控制或監測系統之間傳輸信息。
HART通信發生在兩個具有HART功能的設備之間，通常是智慧型現場設備和控制或監測系統之間。通信使用標準的儀器級電纜，並且使用標準的接線和終端處理方式。
HART協定提供兩個同步通信通道：4 - 20mA模擬信號和一個數位訊號。4 - 20mA信號利用4 - 20mA的電流迴路 – 它是最快和最可靠的業界標準，來傳輸主要的測量值（在現場儀表的情況下）。另外，HART利用疊加在模擬信號之上的數位訊號，來傳輸其它的設備信息。
數位訊號中包含了來自設備的信息，包括設備狀態、診斷、額外的測量或計算值等。這兩個通信通道結合起來，提供了一種易於使用和配置的低成本、高度可靠的、完整的現場通信解決方案。

圖2. 兩個通信通道

HART協定最多可有兩個主設備（第一主設備和第二主設備）。這使得可以利用第二主設備，例如手持通信器，而不會對第一主設備，如控制/監測系統的通信造成干擾。

圖3. 第一和第二主方

HART協定允許與現場設備之間的所有數字通信，可採用點到點或多點模式的網路配置：

圖4. 點到點的配置

多點模式的配置
還有一個可選的“猝發”通信模式，其中單個從設備可連續廣播標準的HART回覆信息。這一可選的“猝發”通信模式有可能採用更高的更新速率，並且使用通常只限於點到點的配置。

圖5. 多點配置

通信優勢

在模擬信號環境中工作的自動化工程師經常會說，“要是我不去現場，就能獲得設備信息的話…”或者“要是我能將那個壓力變送器的這項配置信息存入我的電腦的話…”。有了HART，他們就不再需要說出“要是”這樣的話了。世界各地已經認識到HART通信優勢，當使用具有HART功能的手持式測試、校準設備和攜帶型電腦時，他們在現場就能便捷地獲取設備的信息。事實上，設備的測試、診斷和配置從未變得如此的簡單！

然而，許多人尚未認識到HART技術的最大優勢，這些優勢來自與實時的資產管理和/或控制系統的全天候連線。

HART技術可以幫助您：

• 利用整套智慧型設備數據的能力，來提升運營能力。對設備、產品或工藝性能出現變化進行早期預警。
• 縮短發現到解決問題的故障排除時間。
• 不斷驗證迴路和控制/自動化系統策略的完整性。
• 提高資產效率和系統可用性。

提高工廠的可用性

• 將設備和系統集成起來，以檢測先前檢測不到的問題。
• 實時檢測設備和/或過程的連線問題。
• 通過獲取新的早期預警，以減少偏差造成的影響。
• 避免非計畫停機或過程中斷所引起的高成本。

降低維護成本

• 快速確定和驗證控制迴路和設備配置。
• 使用遠程診斷，以減少不必要的現場檢查。
• 捕獲性能趨勢數據，以進行預測性維護診斷。
• 減少備件庫存和設備管理成本。