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08月27日 2024

HART協(xié)議

發(fā)布者:虹潤集團(tuán)

       HART(Highway Addressable Remote Transducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬,適度響應(yīng)時間的通信,經(jīng)過30多年的發(fā)展,HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟,并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

中文名     HART協(xié)議          外文名     Highway Addressable Remote Transducer
適用領(lǐng)域     儀器儀表         所屬學(xué)科    自動化            屬    性     通信協(xié)議
提出時間     1985年           提出者       美國ROSEMOUNT
 

目錄

1簡介
2HART規(guī)范 ?協(xié)議物理層 ?數(shù)據(jù)鏈路層 ?網(wǎng)絡(luò)層 ?傳輸層 ?應(yīng)用層
3通用命令
4工作方式
5通信優(yōu)勢

簡介

       HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,數(shù)據(jù)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(tǒng)模擬信號的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)兼容性。在HART協(xié)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(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

      HART通信采用的是半雙工通信方式,其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信,屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品,因而在當(dāng)前的過渡時期具有較強的市場競爭能力,得到了較快發(fā)展。HART 規(guī)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(shè)備都理解、都執(zhí)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(xiàn)場設(shè)備(盡管不是全部)中實現(xiàn),這類命令包括最常用的的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫;第三類稱為特殊設(shè)備命令,以便于工作在某些設(shè)備中實現(xiàn)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(fā)此命令的公司所獨有。在一個現(xiàn)場設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同時存在這三類命令。

      HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL?,F(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性,由HART基金會負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典,主設(shè)備運用DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制,導(dǎo)致難以開發(fā)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(zhì)安全防爆要求,并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng)。

 

HART規(guī)范

      HART協(xié)議于80年代后期開發(fā),并于90年代初移交到HART基金會。從那時起,它已經(jīng)更新了好幾次。每一次的協(xié)議更新都確保更新向后兼容以前的版本。HART協(xié)議當(dāng)前的版本是7.3版。“7”表示主修訂號碼,而“3”表示次修訂號碼。

      HART協(xié)議實現(xiàn)了開放系統(tǒng)互連OSI)7層協(xié)議模型的第1、2、3、4和7層:

 

協(xié)議物理層

      以貝爾202標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),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。

數(shù)據(jù)鏈路層

      定義了一項主從協(xié)議 - 在正常使用下,現(xiàn)場設(shè)備只在收到信號時才作回答??梢杂袃蓚€主設(shè)備,例如,控制系統(tǒng)作為第一主設(shè)備,而手持HART通信器作為第二主設(shè)備。時序規(guī)則定義每個主設(shè)備可以開始通信事務(wù)的時間。單個多點線纜對可以連接多達(dá)15個或更多的從設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)層

    提供路由、端到端安全及傳輸服務(wù)。它管理與通信設(shè)備之間端到端通信的“會話”。

傳輸層

   數(shù)據(jù)鏈路層確保通信成功地從一個設(shè)備到另一個設(shè)備傳播。傳輸層可以被用來確保端到端通信的成功。

應(yīng)用層

      定義了協(xié)議所支持的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報告。在應(yīng)用層,協(xié)議的公共命令分為四大類:

     1.通用命令 - 提供在所有現(xiàn)場設(shè)備都必須實現(xiàn)的功能
     2.常用命令 - 提供很多設(shè)備所共有的功能,但并不是所有的現(xiàn)場設(shè)備都具有的功能
     3.設(shè)備特定命令 - 提供某特定現(xiàn)場設(shè)備所特有的功能,由設(shè)備制造商所指定
     4.設(shè)備系列命令 - 為特定測量類型的儀器提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的功能,允許無需使用設(shè)備特定指令便能進(jìn)行完全的通用性訪問。

通用命令

     HART命令0:讀標(biāo)識碼

     返回擴(kuò)展的設(shè)備類型代碼,版本和設(shè)備標(biāo)識碼。

     請求:無

     響應(yīng):

     字節(jié)0: 254

     字節(jié)1: 制造商ID

     字節(jié)2: 制造商設(shè)備類型

     字節(jié)3: 請求的前導(dǎo)符數(shù)

     字節(jié)4: 通用命令文檔版本號

     字節(jié)5: 變送器規(guī)范版本號

     字節(jié)6: 設(shè)備軟件版本號

     字節(jié)7: 設(shè)備硬件版本號

     字節(jié)8: 設(shè)備標(biāo)志

     字節(jié)9-11: 設(shè)備ID

     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(yīng):

     字節(jié)0: 主變量單位代碼

     字節(jié)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(shè)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(yīng):

     字節(jié)0-3: 主變量電流,單位毫安

     字節(jié)4-7: 主變量量程百分比

     HART命令3:讀動態(tài)變量和主變量電流

     讀主變量電流和4個(最多)預(yù)先定義的動態(tài)變量,主變量電流總是匹配設(shè)備的AO輸出電流。每種設(shè)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(yīng):

     字節(jié)0-3: 主變量電流,單位毫安

     字節(jié)4: 主變量單位代碼

     字節(jié)5-8: 主變量

     字節(jié)9: 第二變量單位代碼

     字節(jié)10-13:第二變量

     字節(jié)14: 第三變量單位代碼

     字節(jié)15-18:第三變量

     字節(jié)19: 第四變量單位代碼

     字節(jié)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(shù)據(jù)鏈路層管理命令。這個命令寫Polling地址到設(shè)備,該地址用于控制主變量AO輸出和提供設(shè)備標(biāo)識。

     只有當(dāng)設(shè)備的Polling地址被設(shè)成0時,設(shè)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(tài)也不響應(yīng)應(yīng)用過程,此時AO被設(shè)成最小;并設(shè)置傳輸狀態(tài)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(tài),也能夠響應(yīng)應(yīng)用過程。

     請求:

     字節(jié)0: 設(shè)備的Polling地址

     響應(yīng):

     字節(jié)0: 設(shè)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(shè)備的Tag讀設(shè)備的標(biāo)識

    這是一個數(shù)據(jù)鏈路層管理命令。這個命令返回符合該Tag的設(shè)備的擴(kuò)展類型代碼、版本和設(shè)備標(biāo)識碼。當(dāng)收到設(shè)備的擴(kuò)展地址廣播地址時執(zhí)行該命令。響應(yīng)消息中的擴(kuò)展地址和請求的相同。

     請求:

    字節(jié)0-5: 設(shè)備的Tag,ASCII

    響應(yīng):

    字節(jié)0: 254

    字節(jié)1: 制造商ID代碼

    字節(jié)2: 制造商設(shè)備類型代碼

    字節(jié)3: 請求的前導(dǎo)符數(shù)

    字節(jié)4: 通用命令文檔版本號

    字節(jié)5: 變送器版本號

    字節(jié)6: 本設(shè)備的軟件版本號

    字節(jié)7: 本設(shè)備的硬件版本號

    字節(jié)8: 設(shè)備的Flags

    字節(jié)9-11: 設(shè)備的標(biāo)識號

    HART命令12:讀消息(Message)

   讀設(shè)備含有的消息。

   請求:無

   響應(yīng):

   字節(jié)0-23: 設(shè)備消息,ASCII

    HART命名13:讀標(biāo)簽Tag,描述符Description和日期Date

   讀設(shè)備的Tag,Description and Date。

   請求:無

   響應(yīng):

   字節(jié)0-5: 標(biāo)簽Tag,ASCII

   字節(jié)6-17: 描述符,ASCII

   字節(jié)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(yīng):

   字節(jié)0-2: 主變量傳感器序列號

   字節(jié)3: 主變量傳感器上下限和最小精度單位代碼

   字節(jié)4-7: 主變量傳感器上限

   字節(jié)8-11: 主變量傳感器下限

   字節(jié)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(hù)代碼和主發(fā)行商代碼。

   請求:無

   響應(yīng):

   字節(jié)0: 主變量報警選擇代碼

   字節(jié)1: 主變量傳遞Transfer功能代碼

   字節(jié)2: 主變量上下量程值單位代碼

   字節(jié)3-6: 主變量上限值

   字節(jié)7-10: 主變量下限值

   字節(jié)11-14:主變量阻尼值,單位秒

   字節(jié)15: 寫保護(hù)代碼

   字節(jié)16: 商標(biāo)發(fā)行商代碼Private Label Distributor Code

   HART命令16:讀最終裝配號

   讀設(shè)備的最終裝配號。

   請求:無

   響應(yīng):

   字節(jié)0-2: 最終裝配號

   HART命令17:寫消息

   寫消息到設(shè)備。

   請求:

   字節(jié)0-23: 設(shè)備消息,ASCII

   響應(yīng):

   字節(jié)0-23: 設(shè)備消息,ASCII

   HART命令18:寫標(biāo)簽、描述符和日期

   寫標(biāo)簽、描述符和日期到設(shè)備。

   請求:

   字節(jié)0-5: 標(biāo)簽Tag,ASCII

   字節(jié)6-17: 描述符Descriptor,ASCII

   字節(jié)18-20:日期

   響應(yīng):

   字節(jié)0-5: 標(biāo)簽Tag,ASCII

   字節(jié)6-17: 描述符Descriptor,ASCII

   字節(jié)18-20:日期

   HART命令19:寫最后裝配號

   寫最后裝配號到設(shè)備。

   請求:

   字節(jié)0-2: 最終裝配號

   響應(yīng):

   字節(jié)0-2: 最終裝配號

 

工作方式

    “HART”是高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器的縮寫。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn),將低電平的數(shù)字通信信號疊加在4 - 20mA之上。

      這項技術(shù)實現(xiàn)了雙向現(xiàn)場通信,并使得同智能現(xiàn)場儀表傳輸比一般過程變量更多的信息成為可能。HART協(xié)議以1200 bps的速率通信,而不影響4 - 20mA信號,并允許一個主機(jī)應(yīng)用程序(主設(shè)備),從智能現(xiàn)場設(shè)備每秒獲取兩次或兩次以上的數(shù)字更新。由于數(shù)字FSK信號是相位連續(xù)的,因而不會對4 - 20mA信號造成干擾。

      HART技術(shù)是個主/從協(xié)議,這意味著,只有當(dāng)主設(shè)備發(fā)出信號時,智能現(xiàn)場(從)設(shè)備才會發(fā)送信號。HART協(xié)議可在多種模式下使用,如點到點或者多點模式,在智能現(xiàn)場儀表和中央控制監(jiān)測系統(tǒng)之間傳輸信息。

      HART通信發(fā)生在兩個具有HART功能的設(shè)備之間,通常是智能現(xiàn)場設(shè)備和控制或監(jiān)測系統(tǒng)之間。通信使用標(biāo)準(zhǔn)的儀器級電纜,并且使用標(biāo)準(zhǔn)的接線和終端處理方式。

      HART協(xié)議提供兩個同步通信通道:4 - 20mA模擬信號和一個數(shù)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(yè)界標(biāo)準(zhǔn),來傳輸主要的測量值(在現(xiàn)場儀表的情況下)。另外,HART利用疊加在模擬信號之上的數(shù)字信號,來傳輸其它的設(shè)備信息。

      數(shù)字信號中包含了來自設(shè)備的信息,包括設(shè)備狀態(tài)、診斷、額外的測量或計算值等。這兩個通信通道結(jié)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(xiàn)場通信解決方案。

      HART協(xié)議最多可有兩個主設(shè)備(第一主設(shè)備和第二主設(shè)備)。這使得可以利用第二主設(shè)備,例如手持通信器,而不會對第一主設(shè)備,如控制/監(jiān)測系統(tǒng)的通信造成干擾。

      HART協(xié)議允許與現(xiàn)場設(shè)備之間的所有數(shù)字通信,可采用點到點或多點模式的網(wǎng)絡(luò)配置

     多點模式的配置

      還有一個可選的“猝發(fā)”通信模式,其中單個從設(shè)備可連續(xù)廣播標(biāo)準(zhǔn)的HART回復(fù)信息。這一可選的“猝發(fā)”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

 

通信優(yōu)勢

      在模擬信號環(huán)境中工作的自動化工程師經(jīng)常會說,“要是我不去現(xiàn)場,就能獲得設(shè)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(jīng)認(rèn)識到HART通信優(yōu)勢,當(dāng)使用具有HART功能的手持式測試、校準(zhǔn)設(shè)備和便攜式電腦時,他們在現(xiàn)場就能便捷地獲取設(shè)備的信息。事實上,設(shè)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(rèn)識到HART技術(shù)的最大優(yōu)勢,這些優(yōu)勢來自與實時的資產(chǎn)管理和/或控制系統(tǒng)的全天候連接。

     

     HART技術(shù)可以幫助您:

      利用整套智能設(shè)備數(shù)據(jù)的能力,來提升運營能力。對設(shè)備、產(chǎn)品或工藝性能出現(xiàn)變化進(jìn)行早期預(yù)警。

       縮短發(fā)現(xiàn)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(tǒng)策略的完整性。

      提高資產(chǎn)效率和系統(tǒng)可用性。

 

      降低維護(hù)成本

      快速確定和驗證控制回路和設(shè)備配置。

      使用遠(yuǎn)程診斷,以減少不必要的現(xiàn)場檢查。

      捕獲性能趨勢數(shù)據(jù),以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)診斷。

      減少備件庫存和設(shè)備管理成本。

   

     提高工廠的可用性

     將設(shè)備和系統(tǒng)集成起來,以檢測先前檢測不到的問題。

     實時檢測設(shè)備和/或過程的連接問題。

    通過獲取新的早期預(yù)警,以減少偏差造成的影響。

    避免非計劃停機(jī)或過程中斷所引起的高成本。

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