HART协议作用_工作原理_构架模式

目前在工业自动化中，使用了不同类型的智能现场监控设备，但管理者或现场工程师在行业内监控每一个设备是非常困难的。所以一般来说，这种监控是通过智能设备来实现的，该设备可以实现行业内外不同连接设备之间的数据传输到主要监控系统。

为了让此类智能设备能够正常的运转，便于1980年推出HART协议，它建立在Bell 202标准之上。此协议已成为工业标准，并且被广泛应用于工业自动化当中。

什么是HART协议？

HART协议中的术语HART（Highway Addressable Remote Transducer）译为“高速可寻址远程传感器”，它是一种开放标准协议，在全球范围内使用，用于在智能设备和控制系统之间通过模拟接线传输和接收数字数据。该协议非常流行，因此全球有超过3000万台设备采用HART协议，主要用于在主机系统以及工业中的智能现场设备之间建立通信。

由于HART协议能够支持较早的基于4-20mA的模拟协议，同时包含数字智能仪表的主要优势，因此获得了广泛的普及。该协议描述了物理连接技术以及不同应用程序使用的命令。HART命令分为Universal、Common Practice和Device Specific三种类型。

通用型（Universal）命令通过所有HART设备实现，这些命令主要由控制器用于识别现场设备以及读取过程数据；普通类型（Common Practice）命令用于描述通常仅适用于现场设备的不同功能，这些设备包括用于更改范围、选择工程单位和执行自检的命令；而对于每个设备，特定于设备类型（Device Specific）命令并不相同，该命令执行独特的配置和修改功能。

HART协议架构

HART协议在两种网络配置中运行，包括点对点和多点网络。

1、点对点网络配置

在点对点网络配置中，为了传递单个过程变量，使用固定的4–20 mA信号，而额外的过程变量和设计参数则通过HART协议进行数字传输。因此，4–20 mA模拟信号不会被HART信号改变并且可以正常使用。HART通信数字信号提供了访问二级变量和其它数据的权利，可用于维护、调试、操作和诊断目的。

2、多点网络配置

这种网络配置允许使用一对电线连接各种设备，此配置中的通信完全是数字式的，因为整个模拟环路电流中的通信被禁用，因为每个设备中的电流固定在足以正常运行设备的最小值4mA。

HART通信工作原理

HART通信协议使用Bell 202 FSK（频移键控）标准来叠加数字信号，这些信号以两种不同的频率表示，例如1,200Hz和2,200Hz。其中，1,200Hz频率代表位1，而2,200Hz频率对应地代表位0。

当具有这些频率的正弦波放置在直流模拟信号电缆上时，就会发生数据传输。因此，在数据传输期间，4-20mA信号不会受到影响，因为频移键控信号的标准值等于零。该协议同时支持两个通信通道，例如4-20mA模拟信号和数字信号。

模拟信号通过4-20mA电流回路传达主要测量值，而附加设备数据通过覆盖在模拟信号上的数字信号传达。数字信号包括设备信息，如设备状况、诊断、计算值等。因此，两个通信通道共同提供了一个非常强大且低成本的通信解决方案，使用和配置都非常简单。该协议通常称为混合协议，因为它结合了模拟和数字通信。

HART技术被区分为主/从协议，因为从设备只有在主设备连接到它时才工作。注意，从设备是智能设备，主设备是电脑。

HART协议模式

通常情况下，对于HART协议内的通信，网络中使用的设备是PLC或DCS（分布式控制系统），被选为主站，而其它现场设备被视为从站，如传感器或执行器。但这里主从之间的通信主要取决于系统安排的通信模式。HART协议网络以主从模式和突发模式两种模式进行通信。

1、主/从模式

这种模式也称为请求-响应模式。在这种模式下，一旦主设备发出请求，从设备就会简单地传输数据。对于每个HART回路，可以连接两个主站。因此，一级主机通常是DCS、PC（个人计算机）或PLC（可编程逻辑控制器），而二级主机是另一台PC或手持终端。从设备是对来自主设备的命令作出反应的执行器、控制器和变送器。

2、突发模式

一些支持HART协议的设备只支持这种通信模式。这种模式允许更快的通信，例如每秒更新三到四次数据。该模式下的主设备指示从设备连续发送典型的HART回复消息。主设备以高速获取消息，直到它命令从设备停止突发。该模式适用于上述一个HART设备需要从HART回路进行通信的情况。

HART协议与Modbus的区别

HART协议和Modbus之间的区别包括以下内容。

HART协议优缺点

HART协议的优点包括以下内容：

• 由HART协议启用的设备仅允许用户使设备使用最好的数据来优化其操作能力。
• 通过在潜在问题发生之前识别问题来减少因设备故障而导致的停机时间。
• 降低了设备的库存成本和维护。
• 减少了问题识别和问题解决的等待时间。
• 通过使用高级诊断来提高安全完整性级别。
• 选择HART协议的好处主要包括：数字能力、模拟能力、可用性和互操作性。
• 可以用于不同的设备和传感器。
• 基于HART协议的设备在行业中被广泛接受。
• 该协议提高了系统可用性、进度规律性等。

• HART传输中的数字信号相当慢。
• 对于多点布置，模拟信号不可访问且没有，并且可以拆分传输线的设备数量受到限制。
• 任何时候只能监视一个过程变量。
• 与Profibus和Foundation Fieldbus等其它现场总线系统相比，这种类型的协议有点慢。因此，这种缓慢的响应时间会在一些基于工业的应用程序中造成一些困难。
• 通常情况下，HART协议的速度对于过程变量变化不快的简单监控系统来说已经足够。

HART协议应用

HART协议的应用包括以下几方面内容：

• 在全球范围内用于在智能设备和控制系统之间通过模拟接线传输和接收数字数据。
• 它是工业自动化中使用的非常流行的协议。
• 该协议主要用于分析智能设备。
• 广泛用于过程和仪表系统。
• 非常适用于多变量仪器，包括质量流量计，只要可以通过单根电缆将体积流量、质量流量、密度和温度传送到控制系统。
• 主要设计用于工业过程控制和测量应用。
• 主要用于流程工业，用于不同设备之间的通讯。

总结

可以看出，HART协议是用于在智能现场设备以及监控或控制系统（如DCS和PLC系统）之间通过模拟线路传输和接收数字数据的全球标准。这种双向通信协议仅提供访问现场和主机控制器（从手持设备到资产管理系统或工厂控制器）之间的附加数据的权利。