HART協(xié)議

發(fā)表時間：2021-11-23?00:00:00 點擊次數(shù)：1034

　　HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,，是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議,。 HART裝置提供具有相對低的帶寬,，適度響應時間的通信,，經過10多年的發(fā)展,，HART技術在國外已經十分成熟,，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

簡介

　　1,、HART協(xié)議采用基于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(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊,，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號的平均值為0,，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小,，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送,，在需要的情況下,，另外的測量、過程參數(shù),、設備組態(tài),、校準,、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

　　HART通信采用的是半雙工的通信方式,，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信,，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)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(fā)展,。HART 規(guī)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(zhí)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(xiàn)場設備（盡管不是全部）中實現(xiàn),，這類命令包括最常用的的現(xiàn)場設備的功能庫；第三類稱為特殊設備命令,，以便于工作在某些設備中實現(xiàn)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(fā)此命令的公司所獨有,。在一個現(xiàn)場設備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。

　　HART采用統(tǒng)一的設備描述語言DDL?，F(xiàn)場設備開發(fā)商采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并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(shù)而不必為這些設備開發(fā)專用接口,。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制,，導致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線供電,，可滿足本質安全防爆要求,，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機作為主設備的雙主設備系統(tǒng)。

　　2,、基金會現(xiàn)場總線,，即FoudationFieldbus,簡稱FF。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎,，取其物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次,，并在應用層上增加了用戶層,。

　　基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率,。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達 1900m (可加中繼器延長)，可支持總線供電,，支持本質安全防爆環(huán)境,。H2的傳輸速率為 1Mbps和2.5Mbps兩種，其通信距離為750m和500m,。物理傳輸介質可支持比絞線,、光纜和無線發(fā)射，協(xié)議符合IEC1158-2標準,。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變，或是負跳變,。正跳變代表0,，負跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息,，以保持發(fā)送雙方的時間同步,。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài),，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位,。

HART規(guī)范

　　HART協(xié)議于80年代后期開發(fā)，并于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(xié)議更新都確保更新向后兼容以前的版本,。HART協(xié)議當前的版本是7.3版,。“7”表示主修訂號碼,，而“3”表示次修訂號碼,。

　　HART協(xié)議實現(xiàn)了開放系統(tǒng)互連（OSI）7層協(xié)議模型的第1、2,、3,、4和7層：

HART協(xié)議物理層

　　以貝爾202標準為基礎，采用頻移鍵控（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,。

HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層

　　定義了一項主從協(xié)議 - 在正常使用下，現(xiàn)場設備只在收到信號時才作回答,?？梢杂袃蓚€主設備,，例如，控制系統(tǒng)作為第一主設備,，而手持HART通信器作為第二主設備,。時序規(guī)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接多達15個或更多的從設備,。

網(wǎng)絡層

　　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(shù)據(jù)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。

應用層

　　定義了協(xié)議所支持的命令,、響應,、數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報告。在應用層,，協(xié)議的公共命令分為四大類：

通用命令 - 提供在所有現(xiàn)場設備都必須實現(xiàn)的功能
常用命令 - 提供很多設備所共有的功能,，但并不是所有的現(xiàn)場設備都具有的功能
設備特定命令 - 提供某特定現(xiàn)場設備所特有的功能,，由設備制造商所指定
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。

HART如何工作

　　“HART”是高速可尋址遠程傳感器的縮寫,。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控（FSK）標準,，將低電平的數(shù)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(xiàn)了雙向現(xiàn)場通信,，并使得同智能現(xiàn)場儀表傳輸比一般過程變量更多的信息成為可能,。HART協(xié)議以1200 bps的速率通信，而不影響4 - 20mA信號,，并允許一個主機應用程序（主設備）,，從智能現(xiàn)場設備每秒獲取兩次或兩次以上的數(shù)字更新。由于數(shù)字FSK信號是相位連續(xù)的,，因而不會對4 - 20mA信號造成干擾,。

　　HART技術是個主/從協(xié)議，這意味著,，只有當主設備發(fā)出信號時,，智能現(xiàn)場（從）設備才會發(fā)送信號。HART協(xié)議可在多種模式下使用,，如點到點或者多點模式,，在智能現(xiàn)場儀表和中央控制或監(jiān)測系統(tǒng)之間傳輸信息。

　　HART通信發(fā)生在兩個具有HART功能的設備之間,，通常是智能現(xiàn)場設備和控制或監(jiān)測系統(tǒng)之間,。通信使用標準的儀器級電纜,，并且使用標準的接線和終端處理方式。

　　HART協(xié)議提供兩個同步通信通道：4 - 20mA模擬信號和一個數(shù)字信號,。4 - 20mA信號利用4 - 20mA的電流回路 – 它是最快和最可靠的業(yè)界標準,，來傳輸主要的測量值（在現(xiàn)場儀表的情況下）。另外,，HART利用疊加在模擬信號之上的數(shù)字信號,，來傳輸其它的設備信息。

　　數(shù)字信號中包含了來自設備的信息,，包括設備狀態(tài),、診斷、額外的測量或計算值等,。這兩個通信通道結合起來,，提供了一種易于使用和配置的低成本、高度可靠的,、完整的現(xiàn)場通信解決方案,。

圖2. 兩個通信通道

HART協(xié)議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(jiān)測系統(tǒng)的通信造成干擾,。

圖3. 第一和第二主方

HART協(xié)議允許與現(xiàn)場設備之間的所有數(shù)字通信,，可采用點到點或多點模式的網(wǎng)絡配置：

圖4. 點到點的配置

多點模式的配置
還有一個可選的“猝發(fā)”通信模式，其中單個從設備可連續(xù)廣播標準的HART回復信息,。這一可選的“猝發(fā)”通信模式有可能采用更高的更新速率,，并且使用通常只限于點到點的配置。

圖5. 多點配置

使用HART通信的優(yōu)勢

　　在模擬信號環(huán)境中工作的自動化工程師經常會說,，“要是我不去現(xiàn)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(yōu)勢的用戶知道，當使用具有HART功能的手持式測試,、校準設備和便攜式電腦時,，他們在現(xiàn)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(yōu)勢,，這些優(yōu)勢來自與實時的資產管理和/或控制系統(tǒng)的全天候連接,。

HART技術可以幫助您：

利用整套智能設備數(shù)據(jù)的能力，來提升運營能力,。對設備,、產品或工藝性能出現(xiàn)變化進行早期預警。
縮短發(fā)現(xiàn)到解決問題的故障排除時間,。
不斷驗證回路和控制/自動化系統(tǒng)策略的完整性,。
提高資產效率和系統(tǒng)可用性。

提高工廠的可用性

將設備和系統(tǒng)集成起來,，以檢測先前檢測不到的問題,。
實時檢測設備和/或過程的連接問題。
通過獲取新的早期預警,，以減少偏差造成的影響,。
避免非計劃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回路和設備配置,。
使用遠程診斷,，以減少不必要的現(xiàn)場檢查。
捕獲性能趨勢數(shù)據(jù),，以進行預測性維護診斷,。
減少備件庫存和設備管理成本。

HART通用命令一覽

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

響應：

字節(jié)0： 254

字節(jié)1：制造商ID

字節(jié)2：制造商設備類型

字節(jié)3：請求的前導符數(shù)

字節(jié)4：通用命令文檔版本號

字節(jié)5：變送器規(guī)范版本號

字節(jié)6：設備軟件版本號

字節(jié)7：設備硬件版本號

字節(jié)8：設備標志

字節(jié)9-11：設備ID號

HART命令1：讀主變量（PV）

以浮點類型返回主變量的值,。

請求：無

響應：

字節(jié)0：主變量單位代碼

字節(jié)1-4：主變量

HART命令2：讀主變量電流值和百分比

讀主變量電流和百分比,，主變量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,，如果超過了主變量的范圍,，會跟蹤到傳感器的上下限。

請求：無

響應：

字節(jié)0-3：主變量電流,，單位毫安

字節(jié)4-7：主變量量程百分比

HART命令3：讀動態(tài)變量和主變量電流

讀主變量電流和4個（最多）預先定義的動態(tài)變量,，主變量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,、第三和第四變量,，如第二變量是傳感器溫度等。

請求：無

響應：

字節(jié)0-3：主變量電流,，單位毫安

字節(jié)4：主變量單位代碼

字節(jié)5-8：主變量

字節(jié)9：第二變量單位代碼

字節(jié)10-13：第二變量

字節(jié)14：第三變量單位代碼

字節(jié)15-18：第三變量

字節(jié)19：第四變量單位代碼

字節(jié)20-23：第四變量

HART命令4：保留

HART命令5：保留

HART命令6：寫POLLING地址

這是數(shù)據(jù)鏈路層管理命令,。這個命令寫Polling地址到設備，該地址用于控制主變量AO輸出和提供設備標識,。

只有當設備的Polling地址被設成0時,，設備的主變量AO才能輸出,，如果地址是1~15則AO處于不活動狀態(tài)也不響應應用過程，此時AO被設成最??；并設置傳輸狀態(tài)第三位——主變量模擬輸出固定；上限/下限報警無效,。如果Polling地址被改回0,，則主變量AO重新處于活動狀態(tài)，也能夠響應應用過程,。

請求：

字節(jié)0：設備的Polling地址

響應：

字節(jié)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(shù)據(jù)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(zhí)行該命令,。響應消息中的擴展地址和請求的相同。

請求：

字節(jié)0-5：設備的Tag,，ASCII碼

響應：

字節(jié)0： 254

字節(jié)1：制造商ID代碼

字節(jié)2：制造商設備類型代碼

字節(jié)3：請求的前導符數(shù)

字節(jié)4：通用命令文檔版本號

字節(jié)5：變送器版本號

字節(jié)6：本設備的軟件版本號

字節(jié)7：本設備的硬件版本號

字節(jié)8：設備的Flags

字節(jié)9-11：設備的標識號

HART命令12：讀消息（Message）

讀設備含有的消息,。

請求：無

響應：

字節(jié)0-23：設備消息，ASCII

HART命名13：讀標簽Tag,，描述符Description和日期Date

讀設備的Tag,，Description and Date。

請求：無

響應：

字節(jié)0-5：標簽Tag,，ASCII

字節(jié)6-17：描述符,，ASCII

字節(jié)18-20：日期，分別是日,、月,、年-1900

HART命令14：讀主變量傳感器信息

讀主變量傳感器序列號、傳感器極限/最小精度（Span）單位代碼,、主變量傳感器上限,、主變量傳感器下限和傳感器最小精度。傳感器極限/最小精度（Span）單位和主變量的單位相同,。

請求：無

響應：

字節(jié)0-2：主變量傳感器序列號

字節(jié)3：主變量傳感器上下限和最小精度單位代碼

字節(jié)4-7：主變量傳感器上限

字節(jié)8-11：主變量傳感器下限

字節(jié)12-15：主變量最小精度

HART命令15：讀主變量輸出信息

讀主變量報警選擇代碼,、主變量傳遞（Transfer）功能代碼、主變量量程單位代碼,、主變量上限值,、主變量下限值、主變量阻尼值,、寫保護代碼和主發(fā)行商代碼,。

請求：無

響應：

字節(jié)0：主變量報警選擇代碼

字節(jié)1：主變量傳遞Transfer功能代碼

字節(jié)2：主變量上下量程值單位代碼

字節(jié)3-6：主變量上限值

字節(jié)7-10：主變量下限值

字節(jié)11-14：主變量阻尼值，單位秒

字節(jié)15：寫保護代碼

字節(jié)16：商標發(fā)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

響應：

字節(jié)0-2：最終裝配號

HART命令17：寫消息

寫消息到設備,。

請求：

字節(jié)0-23：設備消息,，ASCII

響應：

字節(jié)0-23：設備消息，ASCII

HART命令18：寫標簽,、描述符和日期

寫標簽,、描述符和日期到設備。

請求：

字節(jié)0-5：標簽Tag,，ASCII

字節(jié)6-17：描述符Descriptor,，ASCII

字節(jié)18-20：日期

響應：

字節(jié)0-5：標簽Tag，ASCII

字節(jié)6-17：描述符Descriptor,，ASCII

字節(jié)18-20：日期

HART命令19：寫最后裝配號

寫最后裝配號到設備,。

請求：

字節(jié)0-2：最終裝配號

響應：

字節(jié)0-2：最終裝配號