HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現場(chǎng)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(shí)間的通信，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標準。

中文名     HART協(xié)議          外文名     Highway Addressable Remote Transducer

適用領(lǐng)域     儀器儀表         所屬學(xué)科    自動(dòng)化            屬    性     通信協(xié)議

提出時(shí)間     1985年           提出者       美國ROSEMOUNT

 

目錄

1簡(jiǎn)介

2HART規范 ?協(xié)議物理層 ?數據鏈路層 ?網(wǎng)絡(luò )層 ?傳輸層 ?應用層

3通用命令

4工作方式

5通信優(yōu)勢

簡(jiǎn)介

       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的音頻數字信號進(jìn)行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2kbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。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(guò)程參數、設備組態(tài)、校準、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)。

      HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強的市場(chǎng)競爭能力，得到了較快發(fā)展。HART 規定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類(lèi)命令，第一類(lèi)稱(chēng)為通用命令，這是所有設備都理解、都執行的命令；第二類(lèi)稱(chēng)為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現場(chǎng)設備（盡管不是全部）中實(shí)現，這類(lèi)命令包括最常用的的現場(chǎng)設備的功能庫；第三類(lèi)稱(chēng)為特殊設備命令，以便于工作在某些設備中實(shí)現特殊功能，這類(lèi)命令既可以在基金會(huì )中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨有。在一個(gè)現場(chǎng)設備中通?？砂l(fā)現同時(shí)存在這三類(lèi)命令。

      HART采用統一的設備描述語(yǔ)言DDL?，F場(chǎng)設備開(kāi)發(fā)商采用這種標準語(yǔ)言來(lái)描述設備特性，由HART基金會(huì )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(shù)來(lái)理解這些設備的特性參數而不必為這些設備開(kāi)發(fā)專(zhuān)用接口。但由于這種模擬數字混合信號制，導致難以開(kāi)發(fā)出一種能滿(mǎn)足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用總線(xiàn)供電，可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求，并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規范

      HART協(xié)議于80年代后期開(kāi)發(fā)，并于90年代初移交到HART基金會(huì )。從那時(shí)起，它已經(jīng)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(shí)現了開(kāi)放系統互連（OSI）7層協(xié)議模型的第1、2、3、4和7層：

 

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(huì )對模擬信號造成任何干擾。

數據鏈路層

      定義了一項主從協(xié)議 - 在正常使用下，現場(chǎng)設備只在收到信號時(shí)才作回答?？梢杂袃蓚€(gè)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(shí)序規則定義每個(gè)主設備可以開(kāi)始通信事務(wù)的時(shí)間。單個(gè)多點(diǎn)線(xiàn)纜對可以連接多達15個(gè)或更多的從設備。

網(wǎng)絡(luò )層

    提供路由、端到端安全及傳輸服務(wù)。它管理與通信設備之間端到端通信的“會(huì )話(huà)”。

傳輸層

   數據鏈路層確保通信成功地從一個(gè)設備到另一個(gè)設備傳播。傳輸層可以被用來(lái)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、數據類(lèi)型和狀態(tài)報告。在應用層，協(xié)議的公共命令分為四大類(lèi)：

     1.通用命令 - 提供在所有現場(chǎng)設備都必須實(shí)現的功能
     2.常用命令 - 提供很多設備所共有的功能，但并不是所有的現場(chǎng)設備都具有的功能
     3.設備特定命令 - 提供某特定現場(chǎng)設備所特有的功能，由設備制造商所指定
     4.設備系列命令 - 為特定測量類(lèi)型的儀器提供一套標準化的功能，允許無(wú)需使用設備特定指令便能進(jìn)行完全的通用性訪(fǎng)問(wèn)。

通用命令

     HART命令0：讀標識碼

     返回擴展的設備類(lèi)型代碼，版本和設備標識碼。

     請求：無(wú)

     響應：

     字節0： 254

     字節1： 制造商ID

     字節2： 制造商設備類(lèi)型

     字節3： 請求的前導符數

     字節4： 通用命令文檔版本號

     字節5： 變送器規范版本號

     字節6： 設備軟件版本號

     字節7： 設備硬件版本號

     字節8： 設備標志

     字節9-11： 設備ID號

     HART命令1：讀主變量（PV）

     以浮點(diǎn)類(lèi)型返回主變量的值。

     請求：無(wú)

     響應：

     字節0： 主變量單位代碼

     字節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(méi)有限制在0-100%之間，如果超過(guò)了主變量的范圍，會(huì )跟蹤到傳感器的上下限。

     請求：無(wú)

     響應：

     字節0-3： 主變量電流，單位毫安

     字節4-7： 主變量量程百分比

     HART命令3：讀動(dòng)態(tài)變量和主變量電流

     讀主變量電流和4個(gè)（最多）預先定義的動(dòng)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(lèi)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(wú)

     響應：

     字節0-3： 主變量電流，單位毫安

     字節4： 主變量單位代碼

     字節5-8： 主變量

     字節9： 第二變量單位代碼

     字節10-13：第二變量

     字節14： 第三變量單位代碼

     字節15-18：第三變量

     字節19： 第四變量單位代碼

     字節20-23：第四變量

     HART命令4：保留

     HART命令5：保留

     HART命令6：寫(xiě)POLLING地址

     這是數據鏈路層管理命令。這個(gè)命令寫(xiě)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(shí)，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(dòng)狀態(tài)也不響應應用過(guò)程，此時(shí)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(wú)效。如果Polling地址被改回0，則主變量AO重新處于活動(dòng)狀態(tài)，也能夠響應應用過(guò)程。

     請求：

     字節0： 設備的Polling地址

     響應：

     字節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(gè)數據鏈路層管理命令。這個(gè)命令返回符合該Tag的設備的擴展類(lèi)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(shí)執行該命令。響應消息中的擴展地址和請求的相同。

     請求：

    字節0-5： 設備的Tag，ASCII碼

    響應：

    字節0： 254

    字節1： 制造商ID代碼

    字節2： 制造商設備類(lèi)型代碼

    字節3： 請求的前導符數

    字節4： 通用命令文檔版本號

    字節5： 變送器版本號

    字節6： 本設備的軟件版本號

    字節7： 本設備的硬件版本號

    字節8： 設備的Flags

    字節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(wú)

   響應：

   字節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(wú)

   響應：

   字節0-5： 標簽Tag，ASCII

   字節6-17： 描述符，ASCII

   字節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(wú)

   響應：

   字節0-2： 主變量傳感器序列號

   字節3： 主變量傳感器上下限和最小精度單位代碼

   字節4-7： 主變量傳感器上限

   字節8-11： 主變量傳感器下限

   字節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(xiě)保護代碼和主發(fā)行商代碼。

   請求：無(wú)

   響應：

   字節0： 主變量報警選擇代碼

   字節1： 主變量傳遞Transfer功能代碼

   字節2： 主變量上下量程值單位代碼

   字節3-6： 主變量上限值

   字節7-10： 主變量下限值

   字節11-14：主變量阻尼值，單位秒

   字節15： 寫(xiě)保護代碼

   字節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(wú)

   響應：

   字節0-2： 最終裝配號

   HART命令17：寫(xiě)消息

   寫(xiě)消息到設備。

   請求：

   字節0-23： 設備消息，ASCII

   響應：

   字節0-23： 設備消息，ASCII

   HART命令18：寫(xiě)標簽、描述符和日期

   寫(xiě)標簽、描述符和日期到設備。

   請求：

   字節0-5： 標簽Tag，ASCII

   字節6-17： 描述符Descriptor，ASCII

   字節18-20：日期

   響應：

   字節0-5： 標簽Tag，ASCII

   字節6-17： 描述符Descriptor，ASCII

   字節18-20：日期

   HART命令19：寫(xiě)最后裝配號

   寫(xiě)最后裝配號到設備。

   請求：

   字節0-2： 最終裝配號

   響應：

   字節0-2： 最終裝配號

 

工作方式

    “HART”是高速可尋址遠程傳感器的縮寫(xiě)。HART協(xié)議利用貝爾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。

      這項技術(shù)實(shí)現了雙向現場(chǎng)通信，并使得同智能現場(chǎng)儀表傳輸比一般過(guò)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(gè)主機應用程序（主設備），從智能現場(chǎng)設備每秒獲取兩次或兩次以上的數字更新。由于數字FSK信號是相位連續的，因而不會(huì )對4 - 20mA信號造成干擾。

      HART技術(shù)是個(gè)主/從協(xié)議，這意味著(zhù)，只有當主設備發(fā)出信號時(shí)，智能現場(chǎng)（從）設備才會(huì )發(fā)送信號。HART協(xié)議可在多種模式下使用，如點(diǎn)到點(diǎn)或者多點(diǎn)模式，在智能現場(chǎng)儀表和中央控制或監測系統之間傳輸信息。

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

      HART協(xié)議提供兩個(gè)同步通信通道：4 - 20mA模擬信號和一個(gè)數字信號。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(lái)傳輸主要的測量值（在現場(chǎng)儀表的情況下）。另外，HART利用疊加在模擬信號之上的數字信號，來(lái)傳輸其它的設備信息。

      數字信號中包含了來(lái)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(gè)通信通道結合起來(lái)，提供了一種易于使用和配置的低成本、高度可靠的、完整的現場(chǎng)通信解決方案。

      HART協(xié)議最多可有兩個(gè)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(huì )對第一主設備，如控制/監測系統的通信造成干擾。

      HART協(xié)議允許與現場(chǎng)設備之間的所有數字通信，可采用點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)模式的網(wǎng)絡(luò )配置：

     多點(diǎn)模式的配置

      還有一個(gè)可選的“猝發(fā)”通信模式，其中單個(gè)從設備可連續廣播標準的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(diǎn)到點(diǎn)的配置

 

通信優(yōu)勢

      在模擬信號環(huán)境中工作的自動(dòng)化工程師經(jīng)常會(huì )說(shuō)，“要是我不去現場(chǎng)，就能獲得設備信息的話(huà)…”或者“要是我能將那個(gè)壓力變送器的這項配置信息存入我的電腦的話(huà)…”。有了HART，他們就不再需要說(shuō)出“要是”這樣的話(huà)了。世界各地已經(jīng)認識到HART通信優(yōu)勢，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(shí)，他們在現場(chǎng)就能便捷地獲取設備的信息。事實(shí)上，設備的測試、診斷和配置從未變得如此的簡(jiǎn)單！

       然而，許多人尚未認識到HART技術(shù)的最大優(yōu)勢，這些優(yōu)勢來(lái)自與實(shí)時(shí)的資產(chǎn)管理和/或控制系統的全天候連接。

     

     HART技術(shù)可以幫助您：

      利用整套智能設備數據的能力，來(lái)提升運營(yíng)能力。對設備、產(chǎn)品或工藝性能出現變化進(jìn)行早期預警。

       縮短發(fā)現到解決問(wèn)題的故障排除時(shí)間。

      不斷驗證回路和控制/自動(dòng)化系統策略的完整性。

      提高資產(chǎn)效率和系統可用性。

 

      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，以減少不必要的現場(chǎng)檢查。

      捕獲性能趨勢數據，以進(jìn)行預測性維護診斷。

      減少備件庫存和設備管理成本。

   

     提高工廠(chǎng)的可用性

     將設備和系統集成起來(lái)，以檢測先前檢測不到的問(wèn)題。

     實(shí)時(shí)檢測設備和/或過(guò)程的連接問(wèn)題。

    通過(guò)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(guò)程中斷所引起的高成本。