HART协议

HART(Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯,数据传输率为1.2kbps。由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送,在需要的情况下,另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式,其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快发展。HART 规定了一系列命令,按命令方式工作。它有三类命令,第一类称为通用命令,这是所有设备都理解、都执行的命令;第二类称为一般行为命令,所提供的功能可以在许多现场设备(尽管不是全部)中实现,这类命令包括最常用的的现场设备的功能库;第三类称为特殊设备命令,以便于工作在某些设备中实现特殊功能,这类命令既可以在基金会中开放使用,又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性,由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典,主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制,导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电,可满足本质安全防爆要求,并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

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:

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。

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,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。

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”。

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。

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:

通用命令 - 提供在所有现场设备都必须实现的功能

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

设备特定命令 - 提供某特定现场设备所特有的功能,由设备制造商所指定

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。

HART命令0:读标识码

返回扩展的设备类型代码,版本和设备标识码。

请求:无

响应:

字节0: 254

字节1: 制造商ID

字节2: 制造商设备类型

字节3: 请求的前导符数

字节4: 通用命令文档版本号

字节5: 变送器规范版本号

字节6: 设备软件版本号

字节7: 设备硬件版本号

字节8: 设备标志

字节9-11: 设备ID号

HART命令1:读主变量(PV)

以浮点类型返回主变量的值。

请求:无

响应:

字节0: 主变量单位代码

字节1-4: 主变量

HART命令2:读主变量电流值和百分比

读主变量电流和百分比,主变量电流总是匹配设备的AO输出电流。百分比没有限制在0-100%之间,如果超过了主变量的范围,会跟踪到传感器的上下限。

请求:无

响应:

字节0-3: 主变量电流,单位毫安

字节4-7: 主变量量程百分比

HART命令3:读动态变量和主变量电流

读主变量电流和4个(最多)预先定义的动态变量,主变量电流总是匹配设备的AO输出电流。每种设备类型都定义的第二、第三和第四变量,如第二变量是传感器温度等。

请求:无

响应:

字节0-3: 主变量电流,单位毫安

字节4: 主变量单位代码

字节5-8: 主变量

字节9: 第二变量单位代码

字节10-13:第二变量

字节14: 第三变量单位代码

字节15-18:第三变量

字节19: 第四变量单位代码

字节20-23:第四变量

HART命令4:保留

HART命令5:保留

HART命令6:写POLLING地址

这是数据链路层管理命令。这个命令写Polling地址到设备,该地址用于控制主变量AO输出和提供设备标识。

只有当设备的Polling地址被设成0时,设备的主变量AO才能输出,如果地址是1~15则AO处于不活动状态也不响应应用过程,此时AO被设成最小;并设置传输状态第三位——主变量模拟输出固定;上限/下限报警无效。如果Polling地址被改回0,则主变量AO重新处于活动状态,也能够响应应用过程。

请求:

字节0: 设备的Polling地址

响应:

字节0: 设备的Polling地址

HART命令7:

HART命令8:

HART命令9:

HART命令10:

HART命令11:用设备的Tag读设备的标识

这是一个数据链路层管理命令。这个命令返回符合该Tag的设备的扩展类型代码、版本和设备标识码。当收到设备的扩展地址或广播地址时执行该命令。响应消息中的扩展地址和请求的相同。

请求:

字节0-5: 设备的Tag,ASCII码

响应:

字节0: 254

字节1: 制造商ID代码

字节2: 制造商设备类型代码

字节3: 请求的前导符数

字节4: 通用命令文档版本号

字节5: 变送器版本号

字节6: 本设备的软件版本号

字节7: 本设备的硬件版本号

字节8: 设备的Flags

字节9-11: 设备的标识号

HART命令12:读消息(Message)

读设备含有的消息。

请求:无

响应:

字节0-23: 设备消息,ASCII

HART命名13:读标签Tag,描述符Description和日期Date

读设备的Tag,Description and Date。

请求:无

响应:

字节0-5: 标签Tag,ASCII

字节6-17: 描述符,ASCII

字节18-20:日期,分别是日、月、年-1900

HART命令14:读主变量传感器信息

读主变量传感器序列号、传感器极限/最小精度(Span)单位代码、主变量传感器上限、主变量传感器下限和传感器最小精度。传感器极限/最小精度(Span)单位和主变量的单位相同。

请求:无

响应:

字节0-2: 主变量传感器序列号

字节3: 主变量传感器上下限和最小精度单位代码

字节4-7: 主变量传感器上限

字节8-11: 主变量传感器下限

字节12-15:主变量最小精度

HART命令15:读主变量输出信息

读主变量报警选择代码、主变量传递(Transfer)功能代码、主变量量程单位代码、主变量上限值、主变量下限值、主变量阻尼值、写保护代码和主发行商代码。

请求:无

响应:

字节0: 主变量报警选择代码

字节1: 主变量传递Transfer功能代码

字节2: 主变量上下量程值单位代码

字节3-6: 主变量上限值

字节7-10: 主变量下限值

字节11-14:主变量阻尼值,单位秒

字节15: 写保护代码

字节16: 商标发行商代码Private Label Distributor Code

HART命令16:读最终装配号

读设备的最终装配号。

请求:无

响应:

字节0-2: 最终装配号

HART命令17:写消息

写消息到设备。

请求:

字节0-23: 设备消息,ASCII

响应:

字节0-23: 设备消息,ASCII

HART命令18:写标签、描述符和日期

写标签、描述符和日期到设备。

请求:

字节0-5: 标签Tag,ASCII

字节6-17: 描述符Descriptor,ASCII

字节18-20:日期

响应:

字节0-5: 标签Tag,ASCII

字节6-17: 描述符Descriptor,ASCII

字节18-20:日期

HART命令19:写最后装配号

写最后装配号到设备。

请求:

字节0-2: 最终装配号

响应:

字节0-2: 最终装配号

“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。

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 - 20mA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。

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。

HART协议允许与现场设备之间的所有数字通信,可采用点到点或多点模式的网络配置:


  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。

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,当使用具有HART功能的手持式测试、校准设备和便携式电脑时,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。

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。

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