深度剖析HART协议

在物联网（IoT）成为主流之前，让两台机器（或其中的组件）相互交谈的好处对工业自动化和控制专家来说是显而易见的。位于曲轴核心的温度传感器中的值会发送测量值以控制电机驱动继电器等，这一点很清楚，实现这一目标的通信协议之一是HART协议。

HART协议在全球安装了超过3000万台基于它的设备，被认为是工业自动化中最流行的协议，今天的文章将概述它为何如此特别。我们将检查其功能、应用和升级版本，如WirelessHART。

概述

高速公路可寻址远程传感器（HART）协议是工业自动化中最流行的开放式通信协议之一，用于通过智能设备和控制系统之间的模拟接线发送和接收数字信息。该协议是对RS485等串行通信协议的改进，也是业界普遍使用的事件。

它是艾默生在1980年代开发的一种专有通信协议，旨在解决现有4-20mA通信协议中只能传输一个参数或测量值的缺陷。借助HART，工业自动化工作可以实现双向通信，解决了4-20mA的缺点，但也保留了其基础设施，因为HART协议可以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。

上述效果是创建了两个同时通信通道：4-20mA模拟信号和数字信号。这种组合就是该协议被称为混合协议的原因。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信息。

对基于4-20mA的设备的支持意味着公司可以继续使用他们的旧硬件。这一点，随着协议变得“开放”，推动了协议的采用水平很高，直到它成为业界事实上的标准

HART通讯协议的工作

HART通信发生在两个支持HART的设备之间，通常是智能现场设备和控制或监视系统。如前所述，基于协议的设备使用现有的4-20mA方法传输模拟信号，并使用Bell202频移键控（FSK）标准。

FSK过程涉及叠加两个频率的正弦波，通常为1200Hz和2200Hz，它们代表正在发送的数据的位（分别为1和0）。FSK的使用保证了两个频率的平均值始终为零，保证了模拟信号不受数字信号的影响。

网络配置模式

为满足各种应用的需要，HART协议下的设备可以配置为两种主要的运行模式；

点对点模式

多点模式

1.点对点网络模式

在点对点模式中，数字信号覆盖在4–20mA回路电流上，这样4–20mA电流和数字信号都可以用于在主机和从机之间传送信息。这代表了协议的典型应用，具有辅助变量和数据，可用于监控、维护和诊断目的，通过数字信号交换，而控制信号通过协议的模拟部分发送。下图提供了点对点网络配置的图示。

2.多点网络模式

Multi-Drop网络配置模式使多个设备能够以类似于i2c等基于地址的协议的方式连接在同一对电线上。多点模式下的通信完全是数字化的，因为通过模拟回路电流的通信被禁用，因为通过每个设备的电流都固定在刚好足以让设备运行的最小值（通常为4mA）。多点网络配置通常用于像油罐区和管道等间距较大的监控应用。多点网络配置如下图所示。

通讯方式

通常，对于HART协议下的通信，需要将网络中的一个设备（通常是分布式控制系统或PLC）指定为主站，而将其他设备（通常是传感器或执行器等现场设备）指定为从站。

但是，从设备与主设备通信的方式取决于网络配置的通信模式。可以设置符合HART协议的设备网络以两种模式进行通信，即：

请求-响应通信模式

突发模式

1.请求-响应通信模式

在请求-响应通信模式下，从设备仅在主设备发出请求时才传输信息。虽然这种模式有其缺点，特别是降低了通信速度（每秒2-3次数据更新），但它有助于保持协议简单、有效、易于实施。

2.突发模式

为了给应用需求的变化腾出空间，该协议有另一种通信模式，称为“突发”模式。在这种模式下，从设备可以连续发送一条信息，而不需要来自主设备的重复请求。此模式提供更快的通信速度，每秒最多更新3-4次，通常用于需要多个HART设备来侦听来自HART回路的通信的情况。

为了允许大多数工业应用所需的外部监控，两种通信模式都支持最多两个定义为主要和次要的主机。如上图所示，主要主机通常是主控制/监控系统，而次要主机通常是手持终端（又名HART通讯器）之类的设备，它仅在短时间内连接到HART回路。

好处

HART协议相对于同类协议的一些优势包括：

1.双向通信

例如，使用4-20mA模拟信号允许信息仅在一个方向上流动（发射器到接收器）。通过HART通信，数据可以双向传输。

2.新型信息

像4-20mA这样的传统通信通道只允许对单个过程变量进行通信，没有验证空间，但使用HART，您可以获得多达40个附加信息以及过程变量。

可以从基于HART的设备中收集到的附加信息的一些示例包括：

设备状态和诊断警报

过程变量和单位

回路电流和百分比范围

基本配置参数

制造商和设备标签

使用这些额外信息的组合，HART设备可以自行向主站/主机设备报告其配置或操作问题。这有助于减少对例行检查的需求，并且对于预测性维护非常有用。

3.多变量设备

在数字模式下，一对电线可以处理多个变量。例如，一台变送器可以处理来自多个传感器的输入

4.供应商独立性

与HART相关的所有内容都由艾默生移交给HART通信基金会，因此这些标准是开放的，并不特定于某个供应商。这意味着没有被锁定在有限的供应商特定或区域“标准”中的危险。

5.供应广度

HART目前被认为是全球过程工业中支持最广泛的协议。它是如此受欢迎，以至于工业设备兼容HART的概率几乎为1。

6.互操作性

无论供应商、型号和其他困扰网络的兼容性/互操作性问题如何，符合HART的设备和主机系统都可以协同工作。即使不是为处理来自HART设备的数字信息而设计的主机设备，仍将通过4-20mA模拟信号与通信具有一定程度的互操作性。

无线HART

HART协议多年来随着技术的进步和用例的日益复杂而不断发展。其发展的最新产品之一是一项名为WirelessHART的新技术，它通过无线传输HART信息提供了全新的可能性。

它是过程自动化领域第一个标准化（IEC62591）无线通信协议。与常规HART协议不同，它在此阶段仅支持通过数字信号进行的通信，因为没有使用连接电缆，因此不提供模拟通信。

目前，有两种不同的WirelessHART解决方案，包括：

用于增强现有HART设备的WirelessHART适配器

一个自供电的WirelessHART发射器。

WirelessHART可用于现有的有线仪器，以收集以前滞留在仪器中的大量信息，并且还提供了一种经济高效、简单且可靠的方式来部署新的测量和控制点，而无需布线成本。