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HART協議
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HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議,是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。 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標準。

簡介

  1、HART協議采用基于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、設備組態、校準、診斷信息通過HART協議訪問。

  HART通信采用的是半雙工的通信方式,其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信,屬于模擬系統向數字系統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,得到了較快發展。HART 規定了一系列命令,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場設備(盡管不是全部)中實現,這類命令包括最常用的的現場設備的功能庫;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,又可以為開發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通??砂l現同時存在這三類命令。

  HART采用統一的設備描述語言DDL?,F場設備開發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而不必為這些設備開發專用接口。但由于這種模擬數字混合信號制,導致難以開發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主機作為主設備的雙主設備系統。

  2、基金會現場總線,即FoudationFieldbus,簡稱FF。它以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎,取其物理層、數據鏈路層、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、光纜和無線發射,協議符合IEC1158-2標準。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,每位發送數據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,從而使串行數據位流中具有足夠的定位信息,以保持發送雙方的時間同步。接收方既可根據跳變的極性來判斷數據的“1”、“0”狀態,也可根據數據的中心位置精確定位。

HART規范

  HART協議于80年代后期開發,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。每一次的協議更新都確保更新向后兼容以前的版本。HART協議當前的版本是7.3版?!?”表示主修訂號碼,而“3”表示次修訂號碼。

  HART協議實現了開放系統互連(OSI)7層協議模型的第1、2、3、4和7層:

HART協議物理層

  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,而不會對模擬信號造成任何干擾。

HART協議數據鏈路層

  定義了一項主從協議 - 在正常使用下,現場設備只在收到信號時才作回答??梢杂袃蓚€主設備,例如,控制系統作為第一主設備,而手持HART通信器作為第二主設備。時序規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。

網絡層

  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”。

傳輸層

  數據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。

應用層

  定義了協議所支持的命令、響應、數據類型和狀態報告。在應用層,協議的公共命令分為四大類:
  1. 通用命令 - 提供在所有現場設備都必須實現的功能
  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設備都具有的功能
  3. 設備特定命令 - 提供某特定現場設備所特有的功能,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如何工作

  “HART”是高速可尋址遠程傳感器的縮寫。HART協議利用貝爾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。

圖1. 頻移鍵控(FSK)

  這項技術實現了雙向現場通信,并使得同智能現場儀表傳輸比一般過程變量更多的信息成為可能。HART協議以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),從智能現場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,因而不會對4 - 20mA信號造成干擾。

  HART技術是個主/從協議,這意味著,只有當主設備發出信號時,智能現場(從)設備才會發送信號。HART協議可在多種模式下使用,如點到點或者多點模式,在智能現場儀表和中央控制或監測系統之間傳輸信息。

  HART通信發生在兩個具有HART功能的設備之間,通常是智能現場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和終端處理方式。

  HART協議提供兩個同步通信通道:4 - 20mA模擬信號和一個數字信號。4 - 20mA信號利用4 - 20mA的電流回路 – 它是最快和最可靠的業界標準,來傳輸主要的測量值(在現場儀表的情況下)。另外,HART利用疊加在模擬信號之上的數字信號,來傳輸其它的設備信息。

  數字信號中包含了來自設備的信息,包括設備狀態、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、完整的現場通信解決方案。
圖2. 兩個通信通道
HART協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/監測系統的通信造成干擾。
圖3. 第一和第二主方
HART協議允許與現場設備之間的所有數字通信,可采用點到點或多點模式的網絡配置:
圖4. 點到點的配置
多點模式的配置
還有一個可選的“猝發”通信模式,其中單個從設備可連續廣播標準的HART回復信息。這一可選的“猝發”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

使用HART通信的優勢

  在模擬信號環境中工作的自動化工程師經常會說,“要是我不去現場,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技術的最大優勢,這些優勢來自與實時的資產管理和/或控制系統的全天候連接。
HART技術可以幫助您:
  • 利用整套智能設備數據的能力,來提升運營能力。對設備、產品或工藝性能出現變化進行早期預警。
  • 縮短發現到解決問題的故障排除時間。
  • 不斷驗證回路和控制/自動化系統策略的完整性。
  • 提高資產效率和系統可用性。
提高工廠的可用性
  • 將設備和系統集成起來,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,以減少不必要的現場檢查。
  • 捕獲性能趨勢數據,以進行預測性維護診斷。
  • 減少備件庫存和設備管理成本。

HART通用命令一覽

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0: 254
字節1: 制造商ID
字節2: 制造商設備類型
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)
以浮點類型返回主變量的值。
請求:無
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:讀動態變量和主變量電流
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POLLING地址
這是數據鏈路層管理命令。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處于不活動狀態也不響應應用過程,此時AO被設成最??;并設置傳輸狀態第三位——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,也能夠響應應用過程。
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
這是一個數據鏈路層管理命令。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
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
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
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、寫保護代碼和主發行商代碼。
請求:無
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: 寫保護代碼
字節16: 商標發行商代碼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0-2: 最終裝配號
HART命令17:寫消息
寫消息到設備。
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:寫標簽、描述符和日期
寫標簽、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:寫最后裝配號
寫最后裝配號到設備。
請求:
字節0-2: 最終裝配號
響應:
字節0-2: 最終裝配號

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