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HART通信协议综述
1 概述
    HART协议已经有很长一段时间了,它仍然是一种很好的选择。HART是工厂自动化领域中采用的一种通信协议。虽然每种协议都有其各自的优点,但就综合性能而言,HART是最佳的解决方案:它可获取增值设备和数字方式的诊断信息,同时还可以与现有的4-20mA自动化结构体系相兼容。
2 HART是什么?
    HART(“可寻址远程传感器数据公路”)通信协议,是为工业过程测量和控制应用而设计。我们将其称为混合协议是因为它将模拟量和数字量通信相融合。它既支持4-20mA模拟信号的单变量通信,也可以将附加信息以数字信号的方式进行通信。数字信息以低电平调制方式加载在标准的4-20mA电流回路上。由于采用标准的可以从模拟信号中去除的过滤技术,数字信号并不会影响模拟量信号的读数。能够传送上述叠加的数字信息是实现HART的重要功能的基础。
3 HART协议信息结构形式
    HART协议由Rosemount公司开发且已向每个使用者开放HART协议采用标准的Bell 202频移键控信号以1200波特通信以低电平加载于4mA~20mA模拟信号上由于载波信号的平均值为零所以它对模拟信号没有影响使用两种不同的频率1200Hz和2200Hz分别代表二进制的1和0每个信息包含源地址目的地址和一个用于检测传送信息正误的校验和。
 
4 物理信号
    连接回路:在连接一个现场装置的回路中电源变送器和负载电阻可以任意顺序连接且接地点亦可任意选择手持终端或主站通讯电路不能直接跨接在电源两端HART规范允许负载电阻为230~600有些HART装置采用就地电源提供激励以获得4mA~20mA输出和HART通信而不是采用上述二线制方案在多点运行时可以电流回路和激励电源共用一对线路也可以采用三线制由于三绞电缆不易得到所以这种混合系统必须由两对双绞线构成并在负载电阻处连接在一起。
         附表1 用于HART回路的电源要求
   电压                                 24VDC (典型值)
  最大纹波(47~125HZ)                    0.2V(峰峰值)
  最大噪声(500HZ~10KHZ)                 1.2mV rms
  最大串联阻抗(500-10KHZ)               10
 
5  信息编码、信息结构与转换程序
   HART协议的主从结构意味着每个信息处理起源于主站而从站仅响应接收到的命令信息HART协议允许在一个系统中有两个主站通常1#主站为控制系统或其它主要设备而2#主站为手持式通信器或备用计算机。
   转换程序:主站负责控制信息的转换如在规定时间内对命令无响应主站将重发信息几次重发后仍无响应时主站则停止转换处理一旦转换处理结束在发送另一命令前主站将暂停一个短时间以便其它主站插入使两个主站与从站轮流通信。
  阵发模式(Burst):为达到较高的数据速率一些现场装置可选择阵发模式传送。
   字符编码:HART信息编码时把一个字节变成一个串每字节加上一个起始位一个奇偶校验位和一个停止位HART协议信息结构形式见附图1。
   长短帧格式:早期的HART设备使用短帧格式在这种格式中从设备的地址为0~15HART第五版引入长帧格式在这种格式中从站地址范围很宽为一具有38bit的数新的现场设备使用长帧格式老的现场设备使用短帧格式主站应提供两种方式以便处理现存现场设备与新设备。
   准备字符:准备字段包括三个以上16进制FF字符作用是使接收调制解调器的频率检测电路同步接收后续传送的信号。
   地址:地址字段包括主站地址和从站地址在短帧格式中他们包含在一个字节内在长帧格式中包含在5个字节中在任何格式中主站地址占据1bit1号主站如控制系统用地址12号主站如手操器用地址0阵发模式信息例外有效比特位交替设置成0和1 以使每个主站可中断阵发模式在短帧格式中从站可登记地址范围为0~15这个数字占据一个地址字节在长帧格式中5个字节地址的剩余38位作为从设备唯一登记地址。
   命令:命令字节包含一个整型数0~255代表一个HART命令。
   字节数:字节数也包含一个整型数代表这条信息包含的字节数接收装置据此确定校验和字节确定信息接收是否完整
   状态:状态只包含在从站返回的应答信息中它包含在两字节的比特编码信息中第一字节指示通信错误若通信无误该字节只是被接收命令的状态第二字节代表设备的运行状态正确操作从设备时两字节均为零
   据数:并非所有命令或应大都由数据,数据可多达24字节数据形式可为无符号整型数、浮点数或ASCII字符串。

6  HART命令
HART命令分三组:
通用命令:通用命令是所有现场装置都配备的包括
 1) 读制造商码和设备类型
 2) 读一次变量PV和单位
 3) 读当前输出和百分量程
 4) 读取多达4个预先定义的动态变量
 5) 读或写8字符标签16字符描述符日期
 6) 读或写32字符信息
 7) 读变送器量程单位阻尼时间常数
 8) 读传感器编号和极限
 9) 读或写最终安装数
 10) 写登录地址
 
常用命令:常用命令提供的功能是大部分但不是全部现场装置都配备的包括
 1) 读4个动态变量之一
 2) 写阻尼时间常数
 3) 写变送器量程
 4) 校准置零置间隔
 5) 设置固定的输出电流
 6) 执行自检
 7) 执行主站复位
 8) 调整PV零点
 9) 写PV单位
 10) 调整DAC零点于增益
 11) 写变换函数平方根/线性
 12) 写传感器编号
 13) 读或写动态变量用途
 
专用命令:专用命令提供分别对特殊的现场装置适用的功能包括
 1) 读或写低流量截止值
 2) 起动停止或取消累积器
 3) 读或写密度校准系数
 4) 选择一次变量
 5) 读或写结构材料信息
 6) 调整传感器校准值

7 双向通信
    采用模拟量信号只能单传送信息,要么是从设备到主机(输入),要么是从主机到设备(输出)。而采用HART数字通信信号可以双向传送数字信息。这突破了以往传统仪表只能从主机接收控制信号的方式—比如阀门控制,也可以向主机传递阀门中的信息状态。同样,以往只能把过程变量发送给主机的变送器现在也可以接收诸如组态设置之类的信息。
8 新类型信息
    传统的模拟量和离散量设备只能以单过程变量方式通信,因而很难找到一种简便的方式判定发送的信息是否有效。采用HART,您不但可以获取过程变量,还可以获得其他类型的信息。每个HART设备中包括35-40个标准信息项。比如:
  设备状态&诊断报警
  过程变量&单位
  回路电流&百分比范围
  生产商&设备标签
   其他的信息还包括:主机以数字方式查询HART设备,并告知您设备的设置是否正确,运行是否正常。该功能可使您免除大多数的日常检验工作,并有助于您在故障导致重大问题之前发现过程故障。

9 多变量仪表
  数字通信模式下,一对电缆可以处理多个变量。例如,一个变送器可以处理多个传感器的输入。对于不能使用HART数字量信息的主系统,来自多变量仪表的信息通常由tri-loop先进行处理,它将数字信息转换成多组4-20mA信号,再由单独的接线传送给主机。

10 不受制于供应商
  采用HART时,您不会受制于某个特定的供应商或地方“标准”。这是由于HART技术并不属于某一家公司,也不受一个国家或标准实体单位的控制。实际上,该技术由不受约束的非盈利性单位HART通信基金会管理。

11 多渠道供应
  就过程加工工业而言,HART是目前世界上最广泛采用的协议。您可以从不同供应商那里获取近600种采用HART技术的产品。产品种类的齐全意味着HART产品几乎能够满足所有过程应用场合的需要—并且您还可以从多个经销商产品中选择最适合的一款。

12 可互操作性
  完全可互操作性意味着无论是哪个供应商的HART兼容产品和主系统都可以协同工作。为与HART设备实现兼容,一些主系统采用统一表示的指令。更进一步的系统则采用设备描述以理解所有的HART信息。即使不能处理来自HART设备数字化信息的系统,也可以通过4-20mA模拟量信号实现控制的可互操作性。
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