HART协议原理及其应用
HART协议原理及其应用
HART（Highway Addressable Remote Transducer）高速可寻址远程传感器协议。是一种用于工业自动化领域的通信协议，它是一种模拟+数字式的通讯协议，广泛应用于智能仪表和控制系统之间进行数据交换。
HART协议起源
HART协议的起源可以追溯到上世纪80年代初，当时工业自动化领域的现场仪表与控制系统之间通信主要依靠模拟信号传输（4-20mA)。然而，模拟信号在传输过程中容易受到干扰，只能传输一个测量值，且无法实现双向通信。为了解决这些问题，美国Fisher-Rosemount Systems开始研发一种新的数字通信协议，即Hart协议: 通过将数字信号叠加在模拟信号上来发送数字信号，而不会失真或干扰,解决了4-20mA的缺点，但也保留了模拟信号的兼容性。
HART 通信提供两个同时通信通道：模拟信号和数字信号，仪表设备等典型应用可以使用4-20mA信号发送一次测量值，并使用叠加的数字信号发送其他信息，使得现场仪表能够实现更多的功能配置和远程监控。
HART协议原理
HART协议采用基于Bell202标准的FSK（频移键控）技术，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，代表0和1位值的信号频率分别为2200和1200Hz，数据传输率为1.2kbps。在采用双绞线作为传输介质时，HART协议的传输距离通常可以达到数百米至数千米不等。
由于FSK信号的平均值为0，因此它不影响传送给控制系统模拟信号的大小，从而保证了与现有模拟系统的兼容性。这种混合信号传输方式使得HART协议能够同时实现模拟信号和数字信号的传输，实现对过程测量参数、设备组态、校准、诊断信息访问，提高了通信的灵活性和可靠性。
HART协议命令
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， HART命令根据功能和适用范围的不同，可以分为以下几类：
通用命令：这些命令是HART协议的基础，所有支持HART协议的仪表都必须能够响应这些命令。通用命令包括读取制造厂及产品型号、主过程变量及单位、读电流输出及百分比输出等。
常用命令：这些命令提供的功能不一定所有设备都具有，但大多数设备都支持。常用命令包括写变量阻尼值、标定、写过程变量单位等。这些命令通常用于设备的日常维护和调校。
专用命令：专用命令是针对特定类型的设备或应用而设计的，因此它们在不同的设备之间可能有所不同。这些命令通常用于实现特定功能或优化设备的性能。
HART命令的工作原理：HART命令的工作原理基于请求/响应的方式。主站（如控制系统）向从站（如现场仪表）发送请求命令，从站接收到请求后，根据命令的内容执行相应的操作，并将结果返回给主站。这种通信方式确保了数据的可靠性和完整性。
HART协议的特点
HART协议是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议，HART协议的特点可以归纳为以下几点：
模拟数字混合信号：HART协议采用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，因此保证了与现有模拟系统的兼容性。
半双工通信方式：HART通信采用的是半双工的通信方式，意味着主机可以与现场变送器通信，反之亦然，但双方不能同时进行发送和接收。这种通信方式使得HART协议成为模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，具有较强的市场竞争能力。
丰富的命令系统：HART协议规定了一系列命令，包括通用命令、一般行为命令和特殊设备命令。这些命令使得现场设备能够响应各种操作请求，包括修改量程、阻尼时间、PID参数等，从而提高了系统的运行质量和管理效率。
主从通信协议：HART协议是一种主从协议，规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式以及一系列操作指令。在正常工作时，每一个从设备（现场仪表）的通信是由其主站通信设备发起的。每一个HART回路中可以有两个主站，如集散系统（DCS）、可编程逻辑控制器、个人PC或手持式终端等。这种通信方式确保了数据的准确性和可靠性。
广泛的应用领域：HART协议可以用于连接所有类型的现场仪表，包括温度、液位、压力、流量、分析仪等。这使得HART协议在工业自动化领域具有广泛的应用前景。
向后兼容性：HART协议在多次更新后，确保了新版本向后兼容以前的版本，这使得现有设备可以无缝升级到新版本，无需更换整个系统。
易于维护：HART协议的设备描述语言（DDL）和现场设备管理（FDT）技术使得用户可以方便地获取设备的信息并进行集中监控、诊断、维护和配置等功能，降低了维护成本。
HART协议的应用领域
HART协议在工业自动化领域具有广泛的应用，主要包括以下几个方面：
现场仪表与控制系统的通信：HART协议允许现场仪表（如温度、压力、流量、液位等传感器）与控制系统之间进行高效、可靠的数据交换。通过HART协议，控制系统可以实时获取现场仪表的测量数据，并根据需要进行远程调校、故障诊断等操作。
远程调校与配置：工程师可以通过HART协议远程调整现场仪表的参数，如量程、阻尼时间等，无需亲临现场。这大大提高了工作效率，降低了维护成本。
故障检测与诊断：HART协议允许设备获取仪表的故障诊断信息，有助于及时发现并解决设备故障。通过HART协议，运行人员可以远程监控仪表的状态，预防潜在故障的发生。
阀门控制与流量控制：根据测量数据，通过HART协议可以控制进（出）料阀门的状态，实现精确的流量控制。这有助于优化生产过程，提高产品质量和效率。
系统集成与兼容性：HART协议具有良好的兼容性，可以与多种现场仪表和控制系统集成。这使得HART协议在工业自动化领域具有广泛的应用前景，特别是在需要混合使用模拟和数字信号的场合。
综上所述，HART协议是一种专为现场仪表和控制系统设计的数字通信协议，它在工业自动化领域具有广泛的应用和优势。它能够实现现场仪表与控制系统之间的可靠、高效的数据交换，优化控制和自动化流程，降低维护成本和时间，提高系统灵活性。随着工业自动化技术的不断发展，HART协议将继续发挥其重要作用，推动工业自动化领域的持续进步。