HART协议与HART仪表的应用

摘 要：hart协议发展迅速，通过对hart仪表的应用，可以为现代化的工厂带来各种实际的效益。

关键词：HART协议 仪表 应用

现代工业生产中存在着各种不同的现场设备，要想很好地使用他们，完善的通讯协议是必须的。HART协议最初是由美国Rosemount公司开发，已应用了多年。全世界有多达三千万台HART仪表安装在各种工厂。至今，世界各地的工业提供商制造的智能仪表中有超过75%的仪表安装了HART协议。

一、HART仪表简介

HART协议使用频移键控（FSK）技术，在4～20mA信号过程量上叠加一个Bell202标准的 FSK信号，成功地把模拟信号和数字信号结合双向同时通讯，而不互相干扰。每个HART设备有一个唯一的38位地址，这个地址由制造商ID代码、设备类型代码和设备唯一标识符组成。所有设备在制造时这个唯一的地址编码已经被写入。HART的主机只有知道了现场设备的地址之后才能与其成功通信。HART的主机还可以通过一个命令使从设备回应，让其回应地址。

数据链路层规定HART协议帧的格式，可寻址范围0～15（HART5）或者0～63（HART7），当仪表的地址为“0”时，仪表处于4～20 mA及数字信号点对点模式，现场仪表与两个数字通信主设备（也称作通信设备或主设备）之间采用特定的串行通信，主设备包括PC机、DCS或手持通信器。

仪表地址为除零以外任何值时，仪表处于全数字通信状态（多点模式），通信模式有“问答”式、“突发”式。按问答式工作时的数据更新速率为2～3次/s，按突发式工作时的数据更新速率为3～4次/s。这些工作方式尤其适用于远程监控，如石化系统和油罐区等。采用多点模式，4～20mA的模拟输出信号不再有效，模拟值为4mA使功耗最小，并且为设备供电，系统依次读取传输线上的多台现场仪表的所需数据。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码，实现数据无差错传送。

在HART协议第六版以上还有一种PSK物理层（一种更高速度的物理层），它可以在原有的4～20 mA模拟信号上叠加数字信号以支持更快的通信速度，达到10～12次/s。但是目前还没有商用芯片支持两线制设备。

二、HART系统的优点

HART协议是一种强大的通信技术，它充分挖掘数字设备的潜力。它在保持传统的4～20 mA信号同时，HART协议扩展了两线制数字通信与现场智能仪表系统的能力。

HART协议的智能现场设备通信提供了最佳的解决方案，具有广泛的支持基础，任何领域的全球设备协议。与其他任何数字通信技术相比，有更多仪器的支持HART。几乎任何过程的应用可以由一个由HART仪器供应商提品解决。

不像其他的数字通信技术，HART协议提供了一个独特的通信解决方案，它可以向后兼容现在的仪器使用的安装基础。这种向后兼容性确保现有的布线和电流控制策略的投资将一直保持安全直到未来。

HART协议在以下方面提高了设备性能并提高了效率：

调试、安装、数字通信、测量质量、维修、在调试时成本节约。

1.在安装调试时节约成本

带HART的现场设备的安装调试只需要一个传统模拟信号系统所需要时间的一部分。操作者使用HART数字通信可以很容易地通过设备位号来确定现场设备和验证现场设备的操作参数是正确的。类似设备的配置可以被复制以简化调试过程。一个回路的完整性检查，很容易通过给定现场变送器把模拟输出设置到一个设定值。

HART协议支持多个设备在一个单股双绞线网络上通信。因此可以在布放电缆时节约很大的成本，特别如罐区监控等应用。

多变量设备可以减少仪器的数量、布线、备件和终端的要求。一些HART现场仪表本身就内置PID控制，而无需单独的控制器，这也可以显著地节约线路和设备的成本。

2.数字通信

采用微处理器的数字仪表带来了许多好处。这些好处是所有智能设备（无论使用的是何种通信类型）都具有的。数字设备比模拟设备有精度和稳定性。HART协议通过提供通信接入和网络提高数字仪表的能力，它和其他数字都具有高精度及稳定性、高可靠度、多参数测量、计算、自诊断、多传感器输入等功能，但是HART仪表更具有以下其他数字仪表不具备的功能：更为便利的调试、可修改的设备位号、远程设置参数、远程回路检查、远程调整操作参数、查询历史记录、多点网络、可以接多个主控制设备、更远的通讯距离、现场控制等。

3.改进的测量质量

通过HART通信的设备可以提供准确的信息，这些信息有助于提高工厂的工作效率。在正常操作过程中，设备的操作值可以很容易地监测或远程修改。如果上传到一个应用软件，这些数据可用于自动记录并进行合规性验证（例如，ISO14000，ISO9000等安全标准）。

一些HART设备可以进行复杂的计算，如PID控制算法和流量补偿积算。多变量HART仪器直接从仪表本身进行测量和计算，从而消除了时间偏差，结果比在远程主机计算更准确。

4.系统维护与仪表诊断

现场仪表的诊断难度较大，HART基金会的《HART诊断指南（草案）》将维护分为三级：要求维护（已经发生故障）、需要维护（仪表已超过维护周期）、建议维护（仪表到了维护周期）。而维护周期由智能仪表根据仪表的损耗情况或固定的时间确定。

三、HART仪表的不足

控制网络技术在我国已经逐步得到推广，自上海赛科项目大规模采用现场总线以来，人们已经越来越少问“是否能用”，而越来越多问“如何好用”。由于近年我国上的大型工程项目多，我国无论在采用现场总线仪表的项目规模还是在采用的数量方面都处于国际领先位置。不过一些项目虽然采用了先进的现场总线智能仪表，但应用的水平却不高，主要是未充分应用智能仪表可以提供的信息和信息服务。

HART智能化仪表经过近10年的高速发展，在应用方面积累了一些问题，智能仪表设计的许多创新功能也未得到充分的应用。主要问题有以下几点。

1.数字仪表和系统的信息保密和安全问题。

2.微程序和软件的可靠性问题。

3.通信的保密、安全和可靠性问题。

4.智能仪表在运行时是可以与控制系统互动的以及如何进行互动。

5.智能仪表提供了远比模拟仪表多的信息以及如何充分利用这些信息。

6.众多智能仪表的可互操作问题。

7.仪表和系统的故障诊断以及故障诊断信息的可互操作问题等。

上述问题都是由于数字化和网络化而产生的，并不是现有技术无法解决这些问题，只是可选的解决方案太多，而统一的解决方案才是最有效的。而如何统一是当前正在研究的。