技術文章
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。
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:
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,。
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,。
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”,。
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。
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”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
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