什么是HART协议？
什么是HART协议？
HART协议是一种在传统4-20毫安模拟信号基础上叠加的数字通信协议，它为远程数据检索和配置提供了先进的选项，可以通过DCS或PLC系统或手持通信器远程执行。HART通过单对电缆通信，因此将HART添加到现有的4-20毫安传感器回路不需要布线修改。
在本文中，您将了解什么是HART协议，HART如何与模拟传感器一起使用，HART模拟传感器的工作原理，以及HART模拟传感器可以为您的操作带来哪些优势。
模拟传感器的工作原理
在过去40年中，电流环技术一直用于模拟传感器，将重要过程数据传输到控制系统，无论是DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）还是单回路控制器。
电流环数据传输简单且成本效益高。每个电流环传感器仅需少量电流（精确来说是4至20毫安）通过单对导线传输。一个2安培、24伏直流电源可以驱动数十个传感器。
对于电流环模拟传感器，最低可测量过程值称为下量程限制（LRL）。模拟传感器在0%读数时输出4毫安。最高可测量过程值称为上量程限制（URL）。模拟传感器在100%读数时输出20毫安。
许多模拟传感器，如压力和温度传感器，价格低廉，高质量的传感器可以以100-500美元的价格购买。更复杂的流量、液位和分析传感器确实成本更高，但这些传感器仍然只需要单对导线即可将过程变量或测量变量传输到控制系统。
模拟传感器和变送器的另一个积极特征是信号可以沿单对导线传输很长距离，几乎没有信号损失。电流信号可以通过18号导线传输长达1000米，且信号损失可以忽略不计。
最后，4-20毫安电流环信号提供基本的诊断功能。
由于0%等于4毫安信号，断线会断开电路，控制系统会检测到0毫安。
这种“活零”特性，即0%等于大于0毫安的值，允许控制系统在0毫安时检测到断线。
但是，模拟传感器只能通过单对导线向控制系统发送一个“值”。数据的粒度或精度受限于控制系统的电子设备中使用的模拟到数字转换器（或A/D转换器）的类型。然而，随着现代电子技术的发展，这已不再是主要问题。
一个具有16位精度的A/D转换器可以将模拟传感器的值范围分为65,535个增量。这意味着对于0-1000磅/平方英寸（psi）的压力传感器，信号值的粒度是1000除以65,535，即0.015 psi。这种精度水平对大多数应用来说已经足够。
HART协议的创新
在解释什么是HART协议之前，让我们快速看看另一种模拟设备：模拟电话。模拟电话通信类似于工业设施中使用的模拟传感器信号。
模拟电话线以48伏直流电信号传输语音。当您对着电话听筒讲话时，麦克风将声波转换为模拟电信号。这些信号通过电话线传播到目的地。接收电话然后通过听筒中的扬声器将电信号转换回声波。
一对铜线用于语音传输，一次只传输一个对话（或传输值）。这与工业模拟传感器完全相同。
在20世纪70年代末，贝尔实验室发明了贝尔202调制解调器标准。1980年，贝尔202标准被采用为海底石油和天然气生产控制系统通信标准。贝尔202规定了一种称为音频频移键控（AFSK）的调制方法，以1200比特/秒的速率半双工（即一次仅在一个方向上传输）编码和传输数字数据。
基本上，它提供了一个连续信号，作为交流正弦波，其频率从1200赫兹（表示二进制值1）切换到2200赫兹（表示二进制值0）。
这里的关键是，如果我们叠加一个贝尔202信号到标准模拟电话线信号上，我们就能同时在同一对导线上发送数字数据和模拟数据。这个功能被用来在通话时传输主叫方的电话号码，这就是众所周知的来电显示功能。
那么，如果我们叠加一个贝尔202信号到标准模拟传感器线信号上呢？我们就能同时在同一对导线上发送数字数据和模拟数据。这就是HART协议！
通过HART，我们可以发送模拟数据，即过程变量的测量值，以及数字传输的数据，如标签名称、校准设置或传感器诊断信息。这对于过程工厂来说是一个真正的生产力提升！
而且，因为HART启用的传感器只需要一对导线进行通信，所以升级现有的非HART传感器回路到HART启用的回路时，不需要更改布线！
这是一个真正提升过程工厂生产力的功能！
好消息是，HART已经内置到大多数商用模拟传感器中，几乎所有DCS和PLC制造商都提供HART启用的模拟输入卡。甚至还有附加硬件设备可以将您的HART传感器转换为无线发射器！
现在我们已经了解了什么是HART通信协议，让我们完成关于HART如何工作的讨论。首先，HART是“高速公路可寻址远程传感器”的缩写。这简单地意味着可以形成一个包含多达63个HART设备的小型网络，每个设备都有自己的地址或节点号。
因为使用HART可以远程访问传感器，所以这个名字确实说明了一切：“高速公路（或网络）传感器（也称为变送器）具有地址，因此可以从远程直接访问”。
HART传感器的远程功能非常有用和强大。在下图中，我们看到一个HART传感器连接到PLC模拟输入卡。我们可以使用PLC编程软件通过HART通信协议远程访问传感器中的数据。
这意味着我们不需要在传感器的位置就能访问其数据。我们可以从控制室或其他可以访问HART数据的位置配置、校准和检索诊断数据。
HART传感器的数据必须由主节点请求，主节点控制回路上的所有通信。主节点通常是传感器连接到的DCS或PLC模拟输入卡。
每个主节点的消息都包含请求类型，如“发送测量值”，目标传感器的节点号，以及需要传输到传感器的任何数据，如新的上量程限制值。
使用手持编程和配置设备，通常称为“HART通信器”，可以在回路导线并联连接的地方访问传感器数据。这可以在接线盒、汇线槽或传感器本身处进行。因此，如果传感器位于难以到达或危险区域，可以从安全的远程位置进行配置或维护。
在网络中使用HART设备，在大多数控制系统应用中并不常见。由于其有限的速度和复杂的多点网络拓扑，我们通常为每个HART信号回路分配一个节点或传感器。
幸运的是，HART允许多个主节点，因此控制系统和手持通信器可以同时连接到回路并同时与设备通信。
通过HART，控制系统的模拟4-20毫安信号和数字HART协议都可供控制工程师和仪表技术人员使用。
如果传感器回路从“仅模拟”升级到“模拟加HART”，控制系统的编程和配置对于测量值可以保持不变。
想象一下，在直流信号上叠加交流信号可能会干扰4-20毫安信号。但事实并非如此。
HART的交流正弦波以1200赫兹振荡表示1值，以2200赫兹振荡表示0值。正弦波的振幅保持不变，对于每个正弦波的上半周期在直流电流曲线上方的振幅正好等于下半周期在直流电流曲线下方的振幅。
正弦波的净效应为零。因此，传感器测量数据的模拟值不受HART信号的影响，就像电话语音通话不受使用相同贝尔202协议的来电显示信号影响一样。
每个HART设备能够发送和接收35-50个不同的信息项，包括过程变量（即与4-20毫安模拟信号提供的相同测量值）、设备状态、诊断警报（如“传感器值低于范围”）、基本配置参数（如上量程和下量程限制）以及设备的标签名。
HART通信协议是多变量仪表（如质量流量计）的理想选择，其中质量流量、体积流量、温度和密度都可以通过单根电缆传输到控制系统。
HART协议由一个供应商独立协会——HART通信基金会管理，因此来自任何制造商的HART传感器可以与其他制造商的传感器互换使用。
这使得实施、维护和故障排除变得非常容易。HART还广泛用于最终控制设备，如控制阀定位器，具有相同的优势和诊断能力。
尽管HART标准要求制造商为每个HART传感器提供一定数量的特定数据项，但供应商也可以扩展数据集以包括供应商特定的项目，如传感器型号号、固件版本或高级诊断计数器。
为了使控制系统识别传感器类型和值，需要一个特殊的数据描述（DD）文件。这个文件加载到DCS或PLC配置站，或下载到手持通信器，并与传感器直接关联。这个文件简单地允许传感器数据流被正确解析或解释，并允许技术人员或工程师正确请求传感器数据。
总结一下，HART是一种数字数据通信协议，它叠加在传统的4-20毫安模拟信号上，提供了先进的远程数据检索和配置选项，可以通过DCS或PLC系统或手持通信器执行。
HART通过单对电缆通信，因此将HART添加到现有的4-20毫安传感器回路不需要布线修改。只有模拟输入卡和传感器电子设备的硬件可能需要升级，以提供HART功能。
已经安装在4-20毫安回路中的传感器有很大比例已经是HART启用的。HART可能是您工厂中已经存在的现场总线。通过简单的配置，可以获得大量新的过程数据和诊断能力，而无需付出太多努力和成本。