智能仪表系统中HART协议通讯的好处

数字能力
• 访问所有仪表参数和诊断
• 支持多变量仪表
• 在线设备状态

兼容模拟
• 模拟和数字通讯同时进行
• 兼容现有4-20mA设备和布线，互可操作性
• 完全开放的业界标准
• 通用命令和数据结构
• 通过设备描述语言增强

有效性
• 超过1,400,000台的安装，是经过了现场验证的技术
• 产品种类多且不断增长，可选择性强
• 工业界内被最多数量的智能仪表所使用

介绍
HART® 数字通讯协议被广泛接受为用于数字化增强的4-20mA通讯协议的工业标准。技术的使用快速增长，事实上今天大多数全球仪表提供商都提供带HART通讯的产品。

HART协议提供独一无二的向前兼容的智能仪表通讯解决方案，4-20mA模拟和数字化通讯信号可以在同一线缆上同时被传递。HART提供现场总线所承诺的很多好处，同时保留对现有4-20mA系统的兼容和相似。
本文提供对HART协议的概要介绍以及该重要技术所带来的好处。通常的报道声称每个仪表在初始安装/调试上节约成本$300-500，在每年的后续维护和运行上节约$100-200。

模拟 + 数字通讯
多年以来，过程自动化设备所使用的现场通讯标准一直是毫安(mA)模拟电流信号。多数应用中，毫安信号正比于所代表的过程变量在4-20mA范围内变化。事实上，所有已安装的工厂仪表系统都使用这一国际化标准同过程变量信息通讯。
模拟 + 数字通讯同时

图1 - HART 使用FSK（频移键控技术）在 4-20mA

模拟信号上编码数字信息 
HART现场通讯协议扩展了4-20mA标准以便提高与智能测量和控制仪表的通讯。作为过程控制演化中的主要一步，HART协议正孕育着过程仪表功能的重要变革。这一重要技术增强的通讯特性反应在该协议的名称上，HART代表“高速可寻址的远程转换器（Highway Addressable Remote Transducer）”。

HART协议允许与智能仪表的双向数字通讯同时不会扰乱4-20mA模拟信号。4-20mA模拟信号和HART数字通讯信号可以在同一电缆上同时被传递。主要变量以及控制信号信息由4-20mA（希望的话）来传递，而额外的测量量、过程参数、设备组态、校验以及诊断信息通过HART协议在同一电缆上同时可以访问。不同于其它用于过程仪表的“开放”数字通讯技术， HART兼容现存系统。

HART技术
HART协议利用了贝尔（Bell）202频移键控(FSK) 标准，在4-20mA基础上叠加低电平的数字通讯信号。由于数字的FSK信号在相位上是连续的，它不会干扰4-20mA信号。如图1、2所示，逻辑 “1”由频率1200Hz代表，而逻辑“0”由频率2200Hz代表。
HART FSK信号调制允许双向通讯，并使除了常规过程变量之外的其它信息可以与智能现场仪表通讯往复。HART协议通讯速率1200bit/s且不会干扰4-20mA信号，使得主机应用（主站）能够从现场设备中得到每秒2个或更多的数字更新。

图2 - HART 数字通讯信号叠加在 4-20mA模拟信号上

灵活的应用
原理上，HART是主/从协议，意味着现场（从）设备只有在主站呼叫时才能有应答。一个HART网络上，可以两个主站（第一和第二）与从设备通讯。第二主站，如手操器，几乎可以连接在网络的任何地方，其与现场设备的通讯不会干扰现场设备与第一主站的通讯。典型的第一主站是DCS、PLC或基于微机的中央控制或监测系统。图3是两个主站的典型安装。

HART协议可以以不同的模式用于智能现场仪表与中央控制或监测设备之间通讯信息的往复。最常见的是数字主/从通讯的同时伴以 4-20mA模拟信号。这种模式，允许来自从设备的数字信息在主站每秒更新两次。4-20mA模拟信号是连续的，而且依然可以运送主要变量用于控制。

图3 - HART通讯允许两个主站设备访问
从（现场）设备的信息

创新应用举例
在图4的控制示意图中，HART协议的功能强大是显而易见的。该创新性应用使用了HART协议的本质特点，即 4-20mA模拟和数字通讯在同一电缆上同时进行。

该应用中，兼容HART的变送器内置PID控制功能。经过组态后，设备的4-20mA回路电流正比于设备中所执行的PID算法的控制输出（而不是多数变送器应用中的被测变量）。由于4-20mA回路电流由PID控制输出所调节，因此它可以用来直接驱动阀门开度。

控制回路完全在现场的变送器（带PID）和控制阀之间执行。控制动作是持续的，如同传统的4-20mA模拟信号在驱动阀门。HART数字通讯将操作员与控制回路联系起来，以改变设定点、读取主要变量或阀门开度输出。在适合该创新性控制框架的应用中，这样做可以实质性的降低成本。

图4 - 某些HART仪表包括PID算法用以实施 高性价比的控制解决方案

最佳方案
HART协议提供给用户最好的解决方案和迁移路径，以获得与智能仪表增强的通讯所带来的好处。没有其它通讯技术能够比得上今天的HART所拥有的支持或可用的广泛的产品。该技术易于使用，而且来自主要仪表提供商的兼容HART的产品事实上覆盖了所有过程测量和控制应用。

在现有或新的生产实施上，现场总线的出现不会取代 HART。HART提供给用户很多相同的好处，同时保留了与现有4-20mA系统的兼容和类似。HART使得用户在不必更换整个系统的前提下，得到远程通讯、灵活/精确的数字数据传输、现场设备诊断以及功能强大的多参数仪表所带来的成本节省。

数字通讯能力以及庞大的安装基础（超过5,000,000个安装且仍然在快速增长）确保它可以与当前和今后的工厂网络相连接。
HART通讯基金会的支持确保该技术会持续发展，以服务于今天和明天智能仪表的需要。

Written by Ron Helson
HART Communication Foundation
9390 Research Blvd., Suite I-350
Austin, Texas 78759 USA
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更多信息，请访问HART网站：http://www.hartcomm.org