何谓HART？HART协议有哪些特点？HART网络如何运行的？

1.0 介绍

HART是可寻址远程传感器高速公路的首字母缩写，是一种开放过程控制网络协议，于20世纪80年代末引入。它是一种混合通信协议，采用贝尔202频移键控(FSK)技术将数字通信信号叠加在模拟4-20 mA电流环路信号上。由HART交流基金会(HCF)管理。与应用于工艺仪表的其他开放数字通信技术不同，HART与现有系统兼容。

多年来，过程自动化和控制行业主要由4-20 mA模拟信号携带过程变量和控制信号进出控制室。HART协议通过附加的双向数字通信扩展了这种模拟通信，由同一布线同时进行。这种数字信号被称为HART信号，携带设备配置、诊断信息、校准和任何额外的工艺测量。HART协议的一些特点如下:

• 同时包含模拟和数字通信
• 与传统的模拟仪表方案兼容
• 支持多变量现场设备
• 可通过两个主机灵活的数据访问
• 事实上的开放标准
• 向后兼容
• 唯一支持模拟和数字的协议，不像其他现场总线本质上是数字的
• 点对点或多点操作
• 约为0.5秒的响应时间

2.0 HART协议的演变与发展

HART在20世纪80年代由 Rosemount 引进。最初的想法是支持4-20毫安回路电流与数字过程变量信号。 HART的诊断、校准、故障排除等能力使其得到越来越多的接受，特别是能用现有的电缆来传输HART信号。

HART是唯一在同一对导线上同时支持模拟和数字(混合)通信的协议。由于HART的广泛接受性，HART交流基金会(HCF)于1993年成立。

3.0 HART和智能设备

智能现场设备和HART技术的发展几乎同时进行。随着智能现场设备中出现越来越多的功能，对HART技术的要求也越来越高。这导致了两者的进一步发展。智能仪器与可编程逻辑控制器(PLC)、计算机等连接，通过数字通信技术收集传感器、执行器或现场仪器数据和诊断信息。

大多数智能仪器具有以下功能:零点、精度和量程调整、验证健康状况的诊断、内存的存储状态和配置信息等。它们支持与控制器的双向通信;对工艺信号和工艺变量进行数字化校正。它们包含执行测量和相应采取控制行动的软件。智能仪器增加了更高的分辨率，更高的精度，最重要的是增加了过程的可靠性。在现场，通过与HART技术相关联的手持控制器，可以在几分钟内验证各种诊断。

最初，HART主要是为过程变量(PV)而开发的。后来，PV还包括变频器的上限和下限等。后来加入了状态信息，以提供更多的功能。

当今的智能现场设备几乎都是多变量的，HART技术能够完美支持。例如，流量计包括一个累加器和一个数据记录器。最初，系统制造商在开发与HART相关的全部功能方面进展缓慢，但随着时间的推移，人们逐渐认识到这一点，今天，HART兼容的多变量现场设备的庞大安装基础已使HART得到充分利用。

4.0 HART编码与波形

HART协议利用FSK技术将数字通信叠加在4-20 mA信号之上。数字FSK信号是相位连续的，具有0.5 mA振幅，有两个不同的频率，1200和2200 Hz，分别表示二进制1和0。由于正弦波在一段时间内的平均直流值为零，FSK信号在4-20 mA模拟信号上不添加任何直流分量。

上图，显示了在4-20 mA模拟信号上叠加的数字HART信号。

HART现场设备和中央控制器有FSK调制解调器- FSK调制的HART信号通过相同的电线与4-20毫安模拟信号一起携带。在控制器上，HART信号被解调并采取相应的操作。

5.0 HART 的特性

HART使用异步模式进行通信。因此, HART数据一次传输一个字节，没有任何时钟信号。 HART字符由11位组成，如下图所示。

6.0 寻址

HART寻址有两种类型:轮询地址和唯一标识符。 轮询地址是单字节地址，也称为短地址。唯一标识符是五个字节，也称为长地址。

短帧和长帧的地址字段格式如下图所示

短地址的一个位区分两个主设备地址，而另一个位表示突发模式。其余4位区分现场设备(从0到15，0表示单设备模式，1-15表示多支路模式）。轮询地址格式用于不支持长地址格式的老的HART设备。

5字节唯一标识符是一个硬件地址,它由一个字节制造商代码、一个字节设备类型代码和三个字节的序列号组成。这个5个字节ID对于每个设备来说是唯一的。HCF管理制造商代码,该代码消除了任何两个HART设备的重复地址的可能性。主设备用这个独特的长地址与从设备通信。

在单设备模式下,主设备轮询地址0，得到唯一的从设备ID。在多支路模式下,主设备检查所有的轮询地址0-15来检查设备是否存在。然后,主设备在网络上展示了一个存在设备列表。用户可以进入预定设备的标签,主设备也会进行相同的广播。带着独特身份的从设备标签响应主设备的查询。短址和长地址都可以表示从设备在与那个主设备交换信息,也可以表示从设备是否在使用突发中模式。

7.0 仲裁

仲裁保证了主设备和从设备之间正确的消息传输。可以是主/从模式或突发模式。在主/从模式中，主设备通过请求从设备启动消息传输。而从设备只响应来自主设备的查询。主/从操作模式下的从设备永远不能发起通信。

网络上可以有两个主设备，一个主设备和一个辅助主设备（通常是一个手持终端）。两个主设备之间的仲裁是基于时机的。

从突发模式和主/从模式一样，是由主设备的命令发起的。突发模式下，不需要来自主设备的请求帧，从设备就会生成响应信息。数据更新速度更快，因为从设备在没有主设备请求的情况下继续传输。

一个帧，无论是来自主设备还是从设备，只有在确保在那个时间点没有传输占用网络，才被传输。由定时器负责，控制主设备、辅助主设备、从设备或突发模式的从设备，对网络的访问。两个主设备在访问总线时具有同等的优先级。如果两个主设备都必须重复访问总线，那么它们将交替进行。突发模式从设备等待的时间比主设备长，允许主设备控制这些从设备（继续或取消突发模式）。

8.0 通信模式

采用HART协议的通信可以是主/从模式或突发模式。HART通信环路可能有两个主设备:主设备和辅助主设备。主设备通常是一个系统主机，可以是一个分布式控制系统(DCS)、一个PLC或一台个人计算机(PC)。辅助主设备可以是一个手持配置工具(即手持终端)，用于偶尔配置不同的工艺参数。从设备可以是变送器或阀门调节器。突发模式配置为主设备提供连续的特定信息，直到被告知停止。它提供了比主/从模式更快的通信，并用于单从设备配置。

9.0 HART网络

HART网络可以在两种配置下运行:点对点和多点模式。

在下图所示的点对点网络中，传统的4-20 mA电流信号用于控制过程，不受HART信号的影响。配置参数通过HART协议进行数字传输。

HART多分支通信网络用于设备间距较宽的情况。如下图所示，与主设备通信只需要两根电线。如果需要，配置IS屏蔽和辅助电源可用于多达15个设备。设备的所有轮询地址都设置为大于零和设备电流的值限制在典型值4毫安。

多点网络允许两个有线设备并行连接。从设备单个变量读取信息的时间通常为500毫秒，当15个设备连接到网络时，完全通过一次网络周期大约需要7.5秒。

10. 现场设备校准

HART设备需要偶尔校准，以确保传感器的输出代表真实的工艺值。任何HART现场设备都有变送器模块、量程模块和数据采集(DAQ)模块需要这种校准。

这类现场设备的校准包括数字过程值的校准，其适当的缩放，转换到所需的范围，最后发送4-20 mA的电流值。过程输出依次到变送器模块、量程或量程转换模块，最后到DAQ模块。

下图，显示启用了HART的现场设备的校准步骤。

变送器模块涉及将模拟变送器值与内部生成的可追溯参考值进行比较。这种比较决定是否需要对现场设备进行校准，这可以通过使用HART协议来完成。如果需要，就可以使用HART协议，对现场设备执行必要的调整。

量程模块分别使用4 mA和20 mA的上下量程值，将这些传感器值转换为上下量程百分比值（前者指的是0%，后者指的是100%）。量程模块输出可以是线性或平方根形式（比如流体类型的过程变量）。

量程模块的输出被传递给DAQ块，然后该模块将百分比范围值转换为环路电流信号。由于不涉及运动部件，所以对电流回路的校准不是很需要。这里的调整称为电流精度微调。

11.0 HART 通信层

HART协议遵循七层开放系统互连(OSI)模型，尽管它只使用三层:应用程序层、数据链路层和物理层。HART和OSI模型层如下表所示：

11.1 物理层

HART采用基于Bell 202标准的FSK调制解调器物理层。这种调制具有鲁棒性和很好的抗噪性。在发送端和接收端分别使用HART调制芯片进行调制和解调.

HART设备既支持传统的4-20 mA电流信号，也支持调制HART通信。它们占用不同的通信频带，如下图所示。由于它们互不干扰的特性，两种通信可以同时进行。HART通信信号被模拟设备过滤掉，因此它们不受HART信号的影响。因此，4-20 mA输入或输出的设备在控制回路中工作得很好。

11.2 数据链路层

HART消息帧格式，通常称为HART电报，如下图所示。它由9个字段组成。

前导码是最先发送的消息中的第一个字段，它唤醒并同步网络中连接设备的所有接收器。分界符是一个单字节字段，表示前导码的结束。 分界符是一个开始字段，它的内容表示该帧是来自主设备的请求、从设备的响应还是突发模式下从设备的请求。它还指示所使用的地址是轮询地址还是惟一ID。

接下来的地址字段可以是一个字节(短帧格式)表示轮询地址，也可以是五个字节(长帧格式)表示唯一ID地址。

第四个字段是命令字段，是单字节的。它表示与消息相关联的HART命令。字节数量为单字节长度，指示消息还剩下多少字节需要完成，不包括校验和。因此，接收方可以从该字段提供的信息中检查消息的结束。

响应代码也是单字节的，只包含在响应消息中。如果错误地接收到消息，从设备的这个响应字段将指示接收到的消息中发生的错误类型。 该字段还将表示正确的消息接收。字段设备状态(一个单字节字段)包含在响应消息中，以指示设备的健康状况。

数据字段可以包含从无到24字节的数据。数据在数据链路层中不进行解释，而只是传递到应用程序层。校验和为单字节校验，为纵向循环冗余校验 (CRC)类型。如果正确接收数据，则发送端校验和值将与接收端校验和相同。

11.3 应用层

HART命令定义在HART协议的应用层。HART主设备和程序的通信例程基于这些命令。来自主设备的命令可以查找数据、启动服务或诊断信息。而从设备则将所需的信息发回给主设备。

HART命令集包括三种类型的命令:通用命令、通用操作命令和设备特定命令。主设备应用程序可以实现特定应用程序的任何命令类型。

12.0 设备描述

通用命令确保了HART设备的互操作性和开放性,而不用考虑制造商。这在用户只需要标准状态和故障消息时，能满足。如果需要一些特定于设备的信息或设备的一些特殊属性,那么通用命令就不够了。主设备的软件必须适应这种偶然的设备相关信息或新设备包含在系统中。这就是设备描述语言(DDL)的用途。

DDL不仅限于与HART相关的应用程序,还可以应用于其他的现场总线。DDL就像一种编程语言,它使设备制造商能够以完整而全面的方式描述所有的通信。它是一个强大的工具,在配置和设备特定特性时提供了显著的好处。

DDL支持所有扩展。因此,任何设备或制造商特定的命令都可以由DDL执行,用户将提供一个普遍适用的和统一的用户接口。因此,这需要一个清晰的、用户友好的、更安全的操作和监控过程。

DDL编码器以二进制编码DD数据的形式读取设备描述，并可由主设备读取。如果设备有足够的存储空间，该DD可以存储在其固件中。在参数化阶段，它可以被主设备读取。

13.0 HART的优点

HART协议是一种独特的向后兼容的通信设施，确保在工厂电缆和电力需求方面的现有投资在未来也保持安全。它是唯一一个同时支持模拟和数字通信(混合)的通信设施。通过保留传统的4-20 mA信号，它扩展了系统与多变量智能现场仪器的双向数字通信能力。任何流程应用程序都可以由由HART协议提供服务处理。