在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）成為主流之前，讓兩臺(tái)機(jī)器（或其中的組件）相互交談的好處對(duì)工業(yè)自動(dòng)化和控制專家來(lái)說(shuō)是顯而易見的。位于曲軸核心的溫度傳感器中的值會(huì)發(fā)送測(cè)量值以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器等，這一點(diǎn)很清楚，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的通信協(xié)議之一是HART協(xié)議。

HART協(xié)議在全球安裝了超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)基于它的設(shè)備，被認(rèn)為是工業(yè)自動(dòng)化中最流行的協(xié)議，今天的文章將概述它為何如此特別。我們將檢查其功能、應(yīng)用和升級(jí)版本，如WirelessHART。

概述

高速公路可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）協(xié)議是工業(yè)自動(dòng)化中最流行的開放式通信協(xié)議之一，用于通過(guò)智能設(shè)備和控制系統(tǒng)之間的模擬接線發(fā)送和接收數(shù)字信息。該協(xié)議是對(duì)RS485等串行通信協(xié)議的改進(jìn)，也是業(yè)界普遍使用的事件。

它是艾默生在1980年代開發(fā)的一種專有通信協(xié)議，旨在解決現(xiàn)有4-20mA通信協(xié)議中只能傳輸一個(gè)參數(shù)或測(cè)量值的缺陷。借助HART，工業(yè)自動(dòng)化工作可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，解決了4-20mA的缺點(diǎn)，但也保留了其基礎(chǔ)設(shè)施，因?yàn)镠ART協(xié)議可以通過(guò)將數(shù)字信號(hào)疊加在模擬信號(hào)上來(lái)發(fā)送數(shù)字信號(hào)，而不會(huì)失真或干擾。

上述效果是創(chuàng)建了兩個(gè)同時(shí)通信通道：4-20mA模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。這種組合就是該協(xié)議被稱為混合協(xié)議的原因。儀表設(shè)備等典型應(yīng)用可以使用4-20mA信號(hào)發(fā)送一次測(cè)量值，并使用疊加的數(shù)字信號(hào)發(fā)送信息。

對(duì)基于4-20mA的設(shè)備的支持意味著公司可以繼續(xù)使用他們的舊硬件。這一點(diǎn)，隨著協(xié)議變得“開放”，推動(dòng)了協(xié)議的采用水平很高，直到它成為業(yè)界事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)

HART通訊協(xié)議的工作

HART通信發(fā)生在兩個(gè)支持HART的設(shè)備之間，通常是智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制或監(jiān)視系統(tǒng)。如前所述，基于協(xié)議的設(shè)備使用現(xiàn)有的4-20mA方法傳輸模擬信號(hào)，并使用Bell202頻移鍵控（FSK）標(biāo)準(zhǔn)。

FSK過(guò)程涉及疊加兩個(gè)頻率的正弦波，通常為1200Hz和2200Hz，它們代表正在發(fā)送的數(shù)據(jù)的位（分別為1和0）。FSK的使用保證了兩個(gè)頻率的平均值始終為零，保證了模擬信號(hào)不受數(shù)字信號(hào)的影響。

網(wǎng)絡(luò)配置模式

為滿足各種應(yīng)用的需要，HART協(xié)議下的設(shè)備可以配置為兩種主要的運(yùn)行模式；

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

多點(diǎn)模式

1.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式

在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式中，數(shù)字信號(hào)覆蓋在4–20mA回路電流上，這樣4–20mA電流和數(shù)字信號(hào)都可以用于在主機(jī)和從機(jī)之間傳送信息。這代表了協(xié)議的典型應(yīng)用，具有輔助變量和數(shù)據(jù)，可用于監(jiān)控、維護(hù)和診斷目的，通過(guò)數(shù)字信號(hào)交換，而控制信號(hào)通過(guò)協(xié)議的模擬部分發(fā)送。下圖提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置的圖示。

2.多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式

Multi-Drop網(wǎng)絡(luò)配置模式使多個(gè)設(shè)備能夠以類似于i2c等基于地址的協(xié)議的方式連接在同一對(duì)電線上。多點(diǎn)模式下的通信完全是數(shù)字化的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)模擬回路電流的通信被禁用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)每個(gè)設(shè)備的電流都固定在剛好足以讓設(shè)備運(yùn)行的最小值（通常為4mA）。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置通常用于像油罐區(qū)和管道等間距較大的監(jiān)控應(yīng)用。多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置如下圖所示。

通訊方式

通常，對(duì)于HART協(xié)議下的通信，需要將網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)設(shè)備（通常是分布式控制系統(tǒng)或PLC）指定為主站，而將其他設(shè)備（通常是傳感器或執(zhí)行器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）指定為從站。

但是，從設(shè)備與主設(shè)備通信的方式取決于網(wǎng)絡(luò)配置的通信模式。可以設(shè)置符合HART協(xié)議的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)以兩種模式進(jìn)行通信，即：

請(qǐng)求-響應(yīng)通信模式

突發(fā)模式

1.請(qǐng)求-響應(yīng)通信模式

在請(qǐng)求-響應(yīng)通信模式下，從設(shè)備僅在主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求時(shí)才傳輸信息。雖然這種模式有其缺點(diǎn)，特別是降低了通信速度（每秒2-3次數(shù)據(jù)更新），但它有助于保持協(xié)議簡(jiǎn)單、有效、易于實(shí)施。

2.突發(fā)模式

為了給應(yīng)用需求的變化騰出空間，該協(xié)議有另一種通信模式，稱為“突發(fā)”模式。在這種模式下，從設(shè)備可以連續(xù)發(fā)送一條信息，而不需要來(lái)自主設(shè)備的重復(fù)請(qǐng)求。此模式提供更快的通信速度，每秒最多更新3-4次，通常用于需要多個(gè)HART設(shè)備來(lái)偵聽來(lái)自HART回路的通信的情況。

為了允許大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用所需的外部監(jiān)控，兩種通信模式都支持最多兩個(gè)定義為主要和次要的主機(jī)。如上圖所示，主要主機(jī)通常是主控制/監(jiān)控系統(tǒng)，而次要主機(jī)通常是手持終端（又名HART通訊器）之類的設(shè)備，它僅在短時(shí)間內(nèi)連接到HART回路。

好處

HART協(xié)議相對(duì)于同類協(xié)議的一些優(yōu)勢(shì)包括：

1.雙向通信

例如，使用4-20mA模擬信號(hào)允許信息僅在一個(gè)方向上流動(dòng)（發(fā)射器到接收器）。通過(guò)HART通信，數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。

2.新型信息

像4-20mA這樣的傳統(tǒng)通信通道只允許對(duì)單個(gè)過(guò)程變量進(jìn)行通信，沒有驗(yàn)證空間，但使用HART，您可以獲得多達(dá)40個(gè)附加信息以及過(guò)程變量。

可以從基于HART的設(shè)備中收集到的附加信息的一些示例包括：

設(shè)備狀態(tài)和診斷警報(bào)

過(guò)程變量和單位

回路電流和百分比范圍

基本配置參數(shù)

制造商和設(shè)備標(biāo)簽

使用這些額外信息的組合，HART設(shè)備可以自行向主站/主機(jī)設(shè)備報(bào)告其配置或操作問(wèn)題。這有助于減少對(duì)例行檢查的需求，并且對(duì)于預(yù)測(cè)性維護(hù)非常有用。

3.多變量設(shè)備

在數(shù)字模式下，一對(duì)電線可以處理多個(gè)變量。例如，一臺(tái)變送器可以處理來(lái)自多個(gè)傳感器的輸入

4.供應(yīng)商獨(dú)立性

與HART相關(guān)的所有內(nèi)容都由艾默生移交給HART通信基金會(huì)，因此這些標(biāo)準(zhǔn)是開放的，并不特定于某個(gè)供應(yīng)商。這意味著沒有被鎖定在有限的供應(yīng)商特定或區(qū)域“標(biāo)準(zhǔn)”中的危險(xiǎn)。

5.供應(yīng)廣度

HART目前被認(rèn)為是全球過(guò)程工業(yè)中支持最廣泛的協(xié)議。它是如此受歡迎，以至于工業(yè)設(shè)備兼容HART的概率幾乎為1。

6.互操作性

無(wú)論供應(yīng)商、型號(hào)和其他困擾網(wǎng)絡(luò)的兼容性/互操作性問(wèn)題如何，符合HART的設(shè)備和主機(jī)系統(tǒng)都可以協(xié)同工作。即使不是為處理來(lái)自HART設(shè)備的數(shù)字信息而設(shè)計(jì)的主機(jī)設(shè)備，仍將通過(guò)4-20mA模擬信號(hào)與通信具有一定程度的互操作性。

無(wú)線HART

HART協(xié)議多年來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步和用例的日益復(fù)雜而不斷發(fā)展。其發(fā)展的最新產(chǎn)品之一是一項(xiàng)名為WirelessHART的新技術(shù)，它通過(guò)無(wú)線傳輸HART信息提供了全新的可能性。

它是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化（IEC62591）無(wú)線通信協(xié)議。與常規(guī)HART協(xié)議不同，它在此階段僅支持通過(guò)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行的通信，因?yàn)闆]有使用連接電纜，因此不提供模擬通信。

目前，有兩種不同的WirelessHART解決方案，包括：

用于增強(qiáng)現(xiàn)有HART設(shè)備的WirelessHART適配器

一個(gè)自供電的WirelessHART發(fā)射器。

WirelessHART可用于現(xiàn)有的有線儀器，以收集以前滯留在儀器中的大量信息，并且還提供了一種經(jīng)濟(jì)高效、簡(jiǎn)單且可靠的方式來(lái)部署新的測(cè)量和控制點(diǎn)，而無(wú)需布線成本。