1、 HART 技术 一、 HART 概述 目前在世界各地所安装的大多数智能现场设备均具有 HART 功能。但是，初次接触自动化领域的一些朋友可能需要重温这项强有力的技术。 简而言之， HART（高速可寻址远程传感器）协议是在智能设备与控制或监测系统之间的模拟线缆上发送和接收数字信息的全球标准。 更具体地说， HART 是一个双向通信协议，提供智能现场仪表和主机系统之间的数据访问。主机可以是任何软件应用程序，从技术人员的手持设备或笔记本电脑，到工厂中使用任何控制平台的过程控制、资产管理、安全或其他系统。 为现有工厂提供数字化升级 HART 技术为下述这些工厂的运营者提供了一项可靠的、长远的解决方案
2、，他们努力寻求发挥拥有数字通信功能的智能设备的优势 该数字通信功能在大多数安装设备中都已存在。然而在许多情况下，大多数应用程序无法为其现有的自动化系统加装能够接受 HART 协议所提供数字数据的系统。 由于目前运行的大多数自动化 网络，均基于传统的 4 - 20mA 模拟线路，从而 HART 技术便可以发挥重要的作用，因为数字信息是与 4 - 20mA 信号同步通信的。没有它，就不会有数字通信。 重要的、数字化作用 当用于智能设备的调试投产和校准以及连续在线诊断时， HART 技术易于使用且非常可靠。 有几个原因使得我们需要拥有可与智能设备通信的主机。包括： 设备的配置或重新配置 设备诊断 设
3、备故障排除 读取设备所提供的额外测量值 设备状况和状态 其它原因：使用 HART 技术拥有诸多好处，而且不断有更多的用户在他们的项目中报告其所带来的好处。 欲了解更多信息，请访问 成功故事 利用这些优势的成功经验解释了为什么 HART 技术能够成为所有通信协议中最大的协议，并安装于世界各地 3 千多万台设备之中。 如果您曾经使用座机电话，通过观察来电显示来了解打电话的是谁，您已经知道了 HART 协议所做的一半工作，即它告诉 “谁 ”在打电话。在工业自动化网络中，这个 “谁 ”便是基于微处理器的智能现场设备。除了让这种智能现场设备 “给家打电话 ”之外， HART 通信还让主机系统向智能仪表发
4、送数据。 HART 出现于 80 年代后期，基于为模拟电话通信提供来电显示的同样技术。它经历了持续的发展，目前内置无线 HART 通信的自动化产品已经上市 。 二、 HART 是如何工作的 “HART”是高速可寻址远程传感器的缩写。 HART 协议利用贝尔 202 频移键控（ FSK）标准，将低电平的数字通信信号叠加在 4 - 20mA 之上。 图 1. 频移键控（ FSK） 这项技术实现了双向现场通信，并使得同智能现场仪表传输比一般过程变量更多的信息成为可能。 HART 协议以 1200 bps 的速率通信，而不影响 4 - 20mA 信号，并允许一个主机应用程序（主设备），从智能现场设备每
5、秒获取两次或两次以上的数字更新。由于数字 FSK 信号是相位连续的，因而不会对 4 - 20mA 信号造成干扰。 HART 技术是个主 /从协议，这意味着，只有当主设备发出信号时，智能现场（从）设备才会发送信号。 HART协议可在多种模式下使用，如点到点或者多点模式，在智能现场仪表和中央控制或监测系统之间传输信息。 HART 通信发生在两个具有 HART 功能的设备之间，通常是智能现场设备和控制或监测系统之间。通信使用标准的仪器级电缆，并且使用标准的接线和终端处理方式。 HART 协议提供两个同步通信通道： 4 - 20mA 模拟信号和一个数字信号。 4 - 20mA 信号利用 4 - 20m
6、A 的电流回路 它是最快和最可靠的业界标准，来传输主要的测量值（在现场仪表的情况下）。另外， HART 利用叠加在模拟信号之上的数字信号，来传输其它的设备信息。 数字信号中包含了来自设备的信息，包括设备状态、诊断、额外的测量或计算值等。这两个 通信通道结合起来，提供了一种易于使用和配置的低成本、高度可靠的、完整的现场通信解决方案。 图 2. 两个通信通道 HART 协议最多可有两个主设备（第一主设备和第二主设备）。这使得可以利用第二主设备，例如手持通信器，而不会对第一主设备，如控制 /监测系统的通信造成干扰。 图 3. 第一和第二主方 HART 协议允许与现场设备之间的所有数字通信，可采用点到
7、点或多点模式的网络配置： 图 4. 点到点的配置 多点模式的配置 还有一个可选的 “猝发 ”通信模式，其中单个从设备可连续广播标准的 HART 回复信息。这一可选的 “猝发 ”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点到点的配置。 图 5. 多点配置 HART 协议的优点 在模拟信号环境中工作的自动化工程师经常会说， “要是我不去现场，就能获得设备信息的话 ”或者 “要是我能将那个压力变送器的这项配置信息存入我的电脑的话 ”。有了 HART，他们就不再需要说出 “要是 ”这样的话了。世界各地已经认识到 HART 通信优势的用户知道，当使用具有 HART 功能的手持式测试、校准设备和
8、便携式电脑时，他们在现场就能便捷地获取设备的信息。事实上，设备的测 试、诊断和配置从未变得如此的简单！ 然而，许多人尚未认识到 HART 技术的最大优势 ， 这些优势来自与实时的资产管理和 /或控制系统的全天候连接。 HART 技术可以帮助您： 利用整套智能设备数据的能力，来提升运营能力。对设备、产品或工艺性能出现变化进行早期预警。 缩短发现到解决问题的故障排除时间。 不断验证回路和控制 /自动化系统策略的完整性。 提高资产效率和系统可用性。 提高工厂的可用性 将设备和系统集成起来，以检测先前检测不到的问题。 实时检测设备和 /或过程的连接问题。 通过获取新的早期预警，以减少偏差造成的影响。
9、避免非计划停机或过程中断所引起的高成本。 降低维护成本 快速确定和验证控制回路和设备配置。 使用远程诊断，以减少不必要的现场检查。 捕获性能趋势数据，以进行预测性维护诊断。 减少备件库存和设备管理成本。 改善监管合规 对合规数据进行自动记录。 帮助进行自动安全关机测试。 利用先进的诊断，提高安全完整性水平（ SIL）。 利用多变量智能化设备，获取更深入、准确的报告。 HART 技术的标准功能包括与现有 4 - 20mA 模拟网络的一般兼容，到具有广泛的产品选择： 与标准 4 - 20mA 布线相兼容 数字数据的同步传输 通过直观的菜单驱动界面带给用户的简洁明了的操作 通过高度精确和稳固的协议减
10、少风险易于实施带来 “前期 ”成本效益的最大化 广泛的产品选择，来自许多过程自动化供应商的兼容设备和应用软件 平台独立，从而在多供应商环境中具有完全的互操作性 来自一流供应商的全球性支持 在业界的解决方案中，几乎所有全球一流的过程检测和控制系统供应商都积极支持 HART 技术。目前，由300 余家 HART 通信基金会会员所制造的产品涵盖 24 余种设备种类，包括共 1300 多件通过基金会注册的设备。 具有 HART 功能设备的类型 设备种类 设备数量 执行器 11 分析仪 267 校准仪 8 稠度仪 2 控制器 12 分布控制系统（ DCS） 6 密度仪 12 开发服务和工具 30 流量仪
11、 228 手持 13 输入 /输出系统 46 绝缘屏障 25 绝缘器（ IS） 47 水平仪 217 回路监测器 4 调制解调器 30 调制解调器集成电路（芯片） 8 复用器 /网关 16 定位器 - 阀门 77 压力变送器 140 软件 35 温度仪 116 WirelessHART 适配器 11 WirelessHART 网关 9 若您需要按照制造商或设备类型分类的完整清单，请参阅我们的 产品目录（ Product Catalog） 。 HART 规范 HART 协议于 80 年代后期开发，并于 90 年代初移交到 HART 基金会。从那时起，它已经更新了好几次。每一次的协议更新都确保更新
12、向后兼容以前的版本。 HART 协议当前的版本是 7.3 版。 “7”表示主修订号码，而“3”表示次修订号码。 HART 协议实现了开放系统互连（ OSI） 7 层协议模型的第 1、 2、 3、 4 和 7 层： HART 协议物理层 以贝尔 202 标准为基础，采用频移键控（ FSK），以 1200bps 的速率通信。代表 0 和 1 位值的信号频率分别为 2200 和 1200Hz。该低电平信号叠加在 4 到 20mA 的模拟测量信号之上，而不会对模拟信号造成任何干扰。 HART 协议数据链路层 定义了一项主从协议 - 在正常使用下，现场设备只在收到信号时才作回答。可以有两个主设备，例如，
13、控制系统作为第一主设备 ，而手持 HART 通信器作为第二主设备。时序规则定义每个主设备可以开始通信事务的时间。单个多点线缆对可以连接多达 15 个或更多的从设备。 网络层 提供路由、端到端安全及传输服务。它管理与通信设备之间端到端通信的 “会话 ”。 传输层： 数据链路层确保通信成功地从一个设备到另一个设备传播。传输层可以被用来确保端到端通信的成功。 应用层 定义了协议所支持的命令、响应、数据类型和状态报告。在应用层，协议的公共命令分为四大类： 1. 通用命令 - 提供在所有现场设备都必须实现的功能 2. 常用命令 - 提供很多设备所共有的功能，但并不是所有的现场设备都具有的功能 3. 设备
14、特定命令 - 提供某特定现场设备所特有的功能，由设备制造商所指定 4. 设备系列命令 - 为特定测量类型的仪器提供一套标准化的功能，允许无需使用设备特定指令便能进行完全的通用性访问。 参阅 HART 协议规范的完整清单 HART 命令 The HART Protocol is a master-slave communication protocol which means that during normal operation, each slave (a field device) communication is initiated by a request (or command)
15、from the master (host) communication device. The master or host is generally a distributed control, PLC, or PC-based asset management system for example. The slave device is typically a field measurement device such as pressure, level, temperature, flow or other transmitters. In order to make certai
16、n any HART-enabled device from any supplier can communicate properly and respond to a command with the correct information, the set and types of commands are defined in the HART Specifications and implemented in all HART registered devices. Users need not worry about these commands because they are
17、included in the functions of the host. The specific capabilities of a device (device specific commands) are available to the host when the host is given the instructions included in the Device Description (DD) of a specific device. An important point is that defined device status indications are inc
18、luded with each communication response to the host. The host then interprets these status indicators and may provide basic device diagnostic information. The HART Command Set provides uniform and consistent communication for all field devices. Host applications may implement any of the necessary com
19、mands for a particular application. The command set includes three classes: Universal All devices using the HART Protocol must recognize and support the universal commands. Universal commands provide access to information useful in normal operations (e.g., read primary variable and units). Common Pr
20、actice Common Practice commands provide functions implemented by many, but not necessarily all, HART Communication devices. Device Specific Device Specific commands represent functions that are unique to each field device. These commands access setup and calibration information, as well as informati
21、on about the construction of the device. Information on Device Specific commands is available from device manufacturers. A Partial List of HART Commands: Universal Commands Common Practice Commands Device Specific Commands Read manufacturer and device type Read primary variable (PV) and units Read c
22、urrent output and percent of range Read up to four pre-defined dynamic variables Read or write eight-character tag, 16-character descriptor, date Read or write 32-character message Read device range values, units, and damping time constant Read or write final assembly number Write polling address Re
23、ad selection of up to four dynamic variables Write damping time constant Write device range values Calibrate (set zero, set span) Set fixed output current Perform self-test Perform master reset Trim PV zero Write PV unit Trim DAC zero and gain Write transfer function (square root/linear) Write senso
24、r serial number Read or write dynamic variable assignments Read or write low-flow cut-off Start, stop, or clear totalizer Read or write density calibration factor Choose PV (mass, flow, or density) Read or write materials or construction information Trim sensor calibration PID enable Write PID set point Valve characterization Valve set point Travel limits User units Local display information
