HART协议概要

第一章Smart仪表和HART协议

本章介绍了使用HART协议的现场仪表、变送器及其数字通讯的主要概念。

Smart

Smart意指智能，Smart仪表用来描述带微处理器的仪表—即智能仪表。Smart仪表比一般常规仪表具备更丰富的功能。例如，Smart变送器由于运用数字计算来进行温度补偿和非线性补偿，因此可以提供更高的精度。Smart变送器适用于多种类型的传感元件，还能将两种或更多种的测量合并成一种新的测量（如：对体积流量和温度的测量合并成对质量流量的测量。）。此外，Smart变送器还能实现量程迁移和自动标定的功能，并且提供系统内部自诊断，从而简化仪表的维护程序。Smart变送器将多种仪表功能合为一体，大大减轻了主控设备的工作负担，同时也便于设备的生产和管理。

通讯器

为了充分利用Smart设备提供的功能，通常需要一个手持通讯器来设定和控制这类仪表。（如果由现场仪表就地提供这些操作，一般费用较高，而且也是不明智的。但对一些比较复杂的盘装仪表，如流量计，除了具备远程功能以外，提供就地操作功能也是必要的。

数字通讯

正确设置串行通讯，仪表和通讯器可以在较长的距离内通讯。中央控制室和现场设备之间也适用这种通讯。HART协议的现场仪表允许数字信号和模拟信号同时出现在信号线上，但不允许数字信号干扰模拟量的输出。Smart仪表提供了数字通讯的功能，同时也保留了现有系统所要求的模拟量输入的兼容性和可靠性。数字通讯除了用来设定和控制现场仪表，也实现了在通讯线路上读取被测变量值。

通过数字通讯读取被测变量值

用数字通讯读取被测变量值，使单个仪表操作多种测量成为可能。例如，由个流量计可以读取质量流量、过程温度和累积质量流量值。也可以通过每次测量监视现场设备的状态，从而增强对自动控制的信任感和安全感。此外，由于不需要4～20mA输出信号的模数、数模转换，精度也提高了。

但是，通讯要占用时间，会使信号检测变得滞后。这会给某些快速回路的控制带来不利影响。如果出现这种情况，可以采用模拟量来进行控制。现场总线的高速通讯可以彻底解决这个问题。

数字通讯允许在现场设备中保存附加信息，需要时可以读出来。变送器可以存储一些与过程相关的信息，如标牌编号、测量类型，以及仪表标定范围和单位等等，也可以存储设备自己的相关信息，就相当于一个电子标签。此外，变送器可以存储有关维护的操作信息，如最后一次标定时间等。

图1-1．数字通讯

多点通讯

如果被测变量的值都能以数字信号读取，4～20mA的模拟信号就不再需要了。因此可以在一对通讯线上连接多个现场设备，分别读取各变送器的数值。为了实现这一点，每个从设备都必须有一个响应地址，而主设备所发的每一个请求信息都必须包括这个地址。多点通讯可以大大减少现场布线和主机接口设备的费用，尤其是在监控系统中。但是，多点通讯的周期性轮询意味着每个测量值只在一个时间片断里被读取。轮询一次的周期时间对高速控制回路可能就太长了。

在多点通讯中，变送器的模拟量输出设定在4mA，给各个设备供电。现场设备都以并行连接。

图1-2．多点通讯

为使数字通讯在各个不同的现场设备之间顺利进行，就必须有一个通讯标准。这个标准应当包括信号传送的物理方式、执行程序、信息构成、数据格式和完成功能的命令集等一系列的规定。

HART协议由Rousemount公司提出。HART协议采用Bell202标准的FSK频移键控信号，是叠加在4～20mA模拟量信号上的低电平信号，传送速率为1200baud。由于所叠加的信号平均值为0，FSK信号不会干扰模拟量信号。

图1-3．频率信号幅值的平均值为0，所以数字通讯不会干扰电流信号

每条信息都应包括源地址和目的地址，并有校验码检查信息是否正确。

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图1-4．HART数据通讯帧格式

HART协议是主从式协议，即现场设备只有在被询问时才可以答复。系统允许有2个主设备（如一个控制系统和一个268型通讯器），最多15个从设备连接到一条多点通讯线上（非本安型应用）。

HART命令集

HART命令定义为三类。

1.通用命令

第一类命令为通用命令，对所有符合HART协议的现场设备都适用。它们包括：读出制造厂及产品型号

读出原始变量及单位

读出电流的输出及百分比输出

读出最多4个预先定义的动态变量名

读出或写入8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期

读出或写入32个字符信息

读出变送器的量程、单位以及阻尼时间常数

读出传感器串联数目及其限制

读出或写入最后组装数目

写入轮询地址

2．普通应用命令

第二类命令为普通应用命令，适用于大多数现场设备，但不是全部。

读出最多4个动态变量的选择

写入阻尼时间常数

写入变送器量程

标定（设置零点和量程）

完成自检

完成主机复位

微调原始变量零点

写入原始变量单位

微调DAC的零点和增益

写入变送功能（开方/线性）

写入传感器串联数目

读出或写入动态变量赋值

3．专用命令

第三类命令为变送器专用命令，仅适用于某种具体的现场设备。

读出或写入小流量截断值

启动、停止或清除累积器

选择原始变量（质量流量或密度）

读出或写入组态信息资料

微调传感器的标定

输出设备

输出设备，如：阀位控制器、变速电机以及泵等，都可以应用HART协议。

现场总线

Rousemount公司和其他国际标准委员会成员正在一起定义一种能被广泛接受的高速现场通讯标准，通常被称作现场总线。这中新的通讯标准将在通讯速度和数据维护上有很大的改善。从气动仪表（3～15psi）经模拟电子（4～20mA）、模拟/数字并存的通讯（HART），一直到全数字通讯（现场总线），现在的仪表正是这个发展趋势中的一个阶段。数字通讯必将在仪表和控制系统中进一步推广应用，最后形成集成管理信息系统。

第二章物理层规定

本章描述了HART协议的物理信号模式和传输介质，这些都与OSI协议参考模型的物理层的规定相一致。

FSK频移键控

HART协议采用FSK频移键控技术将数字信号叠加在4～20mA电流上，从而完成中央控制系统与现场变送器的通讯。两个不同的频率—1200Hz和2200Hz分别表示二进制数0和1。正弦信号以较低的电平叠加在直流信号上，由于正弦信号平均值为0，所以不会影响4-20mA的输出电流。因此，模拟仪表可以照常工作。事实上，一个低通滤波器就能有效地去除数字叠加信号。（一个单极点10HZ的低通滤波器就可滤去通讯信号，使输出量的波动控制在0．01%左右。）

二进制数据传送的速率为1200波特。这就意味着1由1200Hz的一个周期表示，而0大约由2200Hz的两个周期表示。信号频率和传送速率的选择依据美国Bell202标准，该标准用于在电话网上传送数字信息。因此，合适的低价位的MODEM集成芯片可广泛应用。美国的公共电话网支持这种信号的传输，但是欧洲公共电话网并不支持这种标准。（如果在欧洲公共网络上要进行这种传输，BACK-TO-BACK MODEM可以把Bell202转换到

RS-232-C，从而转换到CCITT标准V．23。）

HART协议规定主设备（主控制器或手执通讯器）传送电压信号，而从设备传送电流信号。（普通二线制变送器是通过控制环路电流来正常运行的，很容易把这种控制扩展到含