自控系統(tǒng)中HART協(xié)議的構成及應用要點

殷家云 俞旭波

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

自控系統(tǒng)中HART協(xié)議的構成及應用要點

殷家云 俞旭波

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

HART是一種用于現(xiàn)場智能儀表和檢制室設備之間的通信協(xié)議。概述了HART協(xié)議的原理及網絡構成的要求，并論述了HART協(xié)議的工業(yè)應用技術，協(xié)議的特殊性和優(yōu)美。

HART；頻移鍵控技術；HART連接方式；HART命令；FDT/DTM

1 前言

在化工領域的工業(yè)自控系統(tǒng)中，HART是目前應用最廣泛、也是最實用的通信協(xié)議。深入的了解與掌握HART協(xié)議的特點，以及其實用特性，不僅可以使目前我們設計的全廠自控系統(tǒng)更為靈活和實用，而且能夠有效地幫助我們推進模擬控制系統(tǒng)向數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展，為未來全數(shù)字的現(xiàn)場總線系統(tǒng)運用打下基礎。

2 HART的基本概念

在工業(yè)自控系統(tǒng)中，現(xiàn)場過程檢測儀表一般都采用兩線制環(huán)路供電的工作方式，也就是供電電壓在12 V-48 V之間，環(huán)路電流為工業(yè)用4-20 mA標準電流。使用這種工作方式的檢測儀表功能較簡單，通常只能進行單變量的信號變送。

隨著工業(yè)自控系統(tǒng)的發(fā)展和工藝的復雜化，原先的單變量信號變送器已經變得不能適應愈來愈復雜的控制要求，因此，多變量的智能變送器進入工業(yè)應用。與此所對應的，各類數(shù)字數(shù)據(jù)通信現(xiàn)

場總線技術也隨之出現(xiàn)，如：FF基金會現(xiàn)場總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。 而 除HART外，其余的現(xiàn)場總線均為全數(shù)字化現(xiàn)場總線協(xié)議。

HART(Highway Addressable Remote Transducer)的中文譯名是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，它是美國Rosemount公司推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備之間的通信協(xié)議。

3 HART通信協(xié)議的原理及特點

HART通信采用的是半雙工的通信方式。協(xié)議參考ISO/OSI（開放系統(tǒng)互連模型），采用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第三層應用層。

作為一種混合協(xié)議，HART協(xié)議將模擬量和數(shù)字量通信融合，它既支持4-20 mA模擬信號的單變量通信，也可以將附加信息以數(shù)字信號的方式通信。數(shù)字信息以FSK調制方式加載在標準的4-20 mA電流回路上。

FSK技術是基于Bell202通信標準的頻移鍵控技術。它在4-20 mA的模擬信號上疊加幅度為0.5 mA的正弦電流調制波信號，如圖1所示。

如圖2所示，正弦信號平均值為0，HART通信協(xié)議雖然有±0.5 mA信號疊加在4-20 mA信號上，卻不影響4-20 mA的平均值。圖中，1 200 Hz表示邏輯“1”，2 200 Hz表示邏輯“0”，決定了HART的通信傳輸速率是1 200 bps。

圖1 頻移鍵控技術

圖2 模擬信號疊加HART信號后的波形

在HART工作模式下，實際操作時，需要注意兩點：

（1）智能設備要能檢出HART通信信號，要求它有0.25 Vp-p（峰-峰電壓）以上的電平，因而二線制智能設備與電源之間至少要有250 Ω以上的電阻，以免這一信號被電源的低內阻所短路。

（2）由于HART信號是在4-20 mA信號上疊加±0.5 mA信號，因此，其最小信號電流有可能為3.5 mA，對采用信號回路對兩線制變送器供電時，供電電流超過3.5 mA，將導致數(shù)字信號負半周失真。因此，考慮到調節(jié)量所需的余量，對變送器供電電流一般不超過3.4 mA為好。

采用信號濾波技術，可從模擬信號中去除掉數(shù)字信號，因此，數(shù)字信號并不會影響模擬量信號傳輸。因此，HART協(xié)議最突出的特點是：數(shù)字通信與模擬信號4-20 mA兼容，傳輸?shù)男盘柺钦{制后的正弦信號疊加在4-20 mA的模擬信號上。

4 HART網絡的構成

為實現(xiàn)HART通信，要求上位機（或手操器）和需連接的儀表都要滿足HART物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的通信要求。即硬件上，必須有HART通信接口。圖3是HART通信回路的典型構成。

4.1 設備

從設備分工上看，HART能辨認三種不同設備。

4.1.1 從設備

圖3 HART通信回路的典型構成

它是最普遍最基本的設備，能對主設備發(fā)出的命令作出響應，它接受與提供帶有測量值或其他數(shù)據(jù)的數(shù)字信號。

從設備一般為常見的現(xiàn)場儀表，如帶HART通信接口的壓力傳感器、溫度傳感器、執(zhí)行器等，只在被請求時才進行通信。

4.1.2 成組模式設備

它是具有成組通信能力的從設備。這種設備無需數(shù)據(jù)請求即可在固定的時間間隔周期性地發(fā)出帶有測量值或其他數(shù)據(jù)的數(shù)字信號，因此，這類設備通常作為獨立的數(shù)據(jù)廣播設備。

4.1.3 主設備

主設備分為基本主設備（如：過程控制器單元）與臨時使用的副主設備（如：手持通信器，Handhold Terminal）兩類。主設備負責從設備及成組模式設備的初始化、數(shù)據(jù)交換及控制功能。

為使兩種主設備能同時在通信鏈路上使用，協(xié)議具有對基本主設備和副主設備進行區(qū)分的能力。

4.2 通信介質

HART通信中可以使用現(xiàn)有的大多數(shù)電纜，推薦采用帶屏蔽的直徑大于0.51 mm的電纜。

通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。采用雙絞同軸電纜時，單臺設備使用距離可達3 000 m，多站最大傳輸距離可達到1 500 m。線路總阻抗應在230～1 100Ω之間。

4.3 傳輸方式

作為一種從模擬量信號向數(shù)字量信號過渡的的通信網絡，HART協(xié)議有兩種傳輸方式。

4.3.1 點對點的傳輸方式

圖4 點對點的連接方式

如圖4所示，回路中只有一臺從設備，可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的4-20 mA模擬信號傳輸主要的單變量信息，而從設備如智能變送器的調整、組態(tài)、校準、測試等數(shù)據(jù)用數(shù)字信號方式傳輸。

4.3.2 純數(shù)字的多站信號傳輸方式

如圖5所示，回路中有多臺從設備（最多15臺，對本安應用，因限制電流能量，從設備一般不超過4臺），此時，模擬信號4-20 mA信號不起作用，每臺從設備工作電流為4 mA左右，所有測量、調整和測試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸。每臺從設備都有唯

圖5 多站信號的數(shù)字傳輸方式

從一的編號（地址），所以，主設備能對每一臺從設備進行操作。

4.4 通信方式

不論是點對點還是多站的傳輸方式，都可以通過主從通信模式（即命令和應答模式）和成組通信模式進行主設備和從設備之間的通信。

當處于成組通信模式時，允許總線上單一的從設備無需主設備發(fā)出請求，而自動地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)。即便是多站的傳輸方式，通常也只允許一臺從設備處于成組通信模式的狀態(tài)。

5 設備描述（DD）及作用

設備描述（即DD）是根據(jù)設備描述語言（DDL）規(guī)范所制作的電子數(shù)據(jù)文件，它在創(chuàng)建時為文本文件，然后再轉換為標準的二進制文件。

設備描述（DD）描述了設備的具體特點和功能，包括主機應用程序（含手持設備）用來訪問相應設備上所有參數(shù)和數(shù)據(jù)的菜單和圖形顯示功能的詳細信息。DD允許訪問所有命令。理解DD的主機系統(tǒng)然后就可以使用數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的意愿顯示數(shù)據(jù)。

設備描述（DD）很好地解決了不同生產廠家HART協(xié)議產品互操作性和互換性問題。儀器儀表供應商除提供HART協(xié)議設備的硬軟件外，還應按照標準格式提供DD文件，經由HART通信基金會（HCF）認可后對外公布，此后該文件進入各種手持編程器和PC機管理軟件中。該廠商產品接入HART網絡，系統(tǒng)就能自動識別，并建立數(shù)據(jù)交換關系，否則，不被認可的HART協(xié)議設備就無法接入網絡系統(tǒng)。

HART通信基金會管理制造商HART設備描述的數(shù)據(jù)庫。每一季度通過磁盤以及互聯(lián)網（下載）發(fā)布DD庫更新。所有HART通信基金會會員均可享有DD庫的訂閱服務[1]。

目前，常用的HART手操器有艾默森公司的375及475系列，對于任何新開發(fā)的符合HART協(xié)議的產品，只要該產品通過HART通信基金會發(fā)布其設備描述（DD）文件，然后用手操器載入該文件，我們就可以通過HART手操器來調試該設備了。

6 HART命令簡介

HART的三層指令結構賦予設備制造商在設計設備時很大的自由度。

6.1 通用命令(Universal commands)

所有HART設備均必須擁有最小的指令集，以符合標準，這些命令被稱為通用命令。通用命令對所有遵守HART協(xié)議的智能設備，不管它是什么公司的產品都應適用。這些命令提供的功能為所有設備所具有。

例如：讀制造廠商名稱及產品型號，原始過程變量及單位，讀電流輸出及百分比輸出等。

6.2 常用命令(common-practice commands)

這類命令對大多數(shù)智能設備適用，但不要求完全一樣。這些命令提供的功能不一定所有設備都具有。

它用于常用的操作，如：寫變量的阻尼值、標定、寫過程變量單位等。

6.3 專用命令(Device -Specific commands)

這類命令是針對每種具體設備的特殊性而設立的，因而它完全不要求統(tǒng)一。大多數(shù)專用命令用于設備參數(shù)組態(tài)。例如，對設備發(fā)送一套新的PID 算法參數(shù)。

7 通過工廠設備管理軟件和工廠設備管理服務器管理現(xiàn)場儀表的HART數(shù)據(jù)

一個工廠的現(xiàn)場儀表數(shù)量種類繁多，為此，可以專門設立一臺設備管理服務器，對現(xiàn)場儀表進行管理。

目前大多數(shù)主流系統(tǒng)廠商開發(fā)的DCS系統(tǒng)都帶HART調制解調功能，設備管理服務器可經DCS系統(tǒng)讀取現(xiàn)場儀表的HART信號，如圖6所示。

對老廠改造，如果原有系統(tǒng)不帶HART通信功能，同時又不想替換原有系統(tǒng)，則可通過現(xiàn)場端子組件上的HART多路轉換器將4-20 mA標準模擬信號和HART剝離，4-20 mA信號繼續(xù)送原有控制系統(tǒng)，而剝離的HART信號則經HART多路轉換器與設備管理服務器進行數(shù)據(jù)通信。圖7中，設備管理服務器還經MODBUS，與集散控制系統(tǒng)（DCS）通信，提供如閥門現(xiàn)場警報與報警類的關鍵信息。

圖6 經DCS系統(tǒng)讀取HART信號

以FISHER公司的DVC6000系列數(shù)字式閥門定位器為例，當以圖5的方式建立網絡，并在設備管理服務器內裝AMS ValveLink軟件，則閥門信息就成為實時信息。操作人員可通過AMS ValveLink軟件，在控制室就可以監(jiān)視多個儀表發(fā)出的警報與報警。此外，像配置、校驗與診斷測試等任務也只需要在控制室實施。[2]

圖7 通過HART多路轉換器讀取HART信號

8 FDT/DTM技術與HART技術的結合

FDT/DTM技術是對的現(xiàn)場總線通信協(xié)議（HART，Profibus，F(xiàn)oundation fieldbus等） 的一種補充。它本身并不是一個新協(xié)議，也不是為了替代某個現(xiàn)有協(xié)議而產生的。

FDT/DTM技術的目的是為最終工廠用戶提供一個與現(xiàn)場總線類型、通信協(xié)議以及制造商都無關的，單一的，用于管理、調試和配置的工程環(huán)境。同時它使得用戶能夠在保留已有系統(tǒng)和設備的同時，使用新類型的現(xiàn)場總線、通信協(xié)議或新設備。

8.1 FDT/DTM內容

FDT（Field Device Tool）/DTM（Device Type Manager）技術包括三個要素：框架應用程序、設備DTM、通信DTM。

8.1.1 框架應用程序

用戶首先需要一個框架應用程序，用于訪問和配置各個不同制造商提供的現(xiàn)場設備參數(shù)。

正如可以利用一個固定Web瀏覽器打開各個不同網絡供應商網站上的網頁一樣，F(xiàn)DT框架應用（Frame Application）就像一個容器（相當于上網用的瀏覽器），可以承載不同廠家提供的設備信息，并進行參數(shù)配置。

目前典型的框架應用軟件有：Pactware聯(lián)盟的PACTware[3]；E+H公司的FieldCare；ABB公司的Field Control等。

8.1.2 設備DTM（Device DTMs）和通信DTM（CommDTM）

DTM（Device Type Manager：設備類型管理器）由設備制造商提供，分為設備DTM和通信DTM，它如同驅動程序，使用戶的框架應用程序能輕松地訪問設備制造商提供的內容。

設備DTM是設備制造商為每一臺設備或者每一組設備開發(fā)的軟件驅動程序，它包括所有設備的相關數(shù)據(jù)、功能和管理規(guī)則，它提供用于訪問設備參數(shù)、配置和操作設備、標定和故障診斷的功能，可以進行復雜的診斷計算和維護，或者通過曲線、趨勢和其他圖形元素顯示結果。

通信DTM與任何通信驅動程序一樣，它將數(shù)據(jù)從一種協(xié)議轉換到另一種協(xié)議，所不同的是它通過標準化FDT進行系統(tǒng)集成，而不是專用的接口。這就意味著用戶在將現(xiàn)有的通信設備集成到FDT應用框架時，只需要相應的通信DTM即可。同樣，供應商只需要根據(jù)FDT框架修改其設備的驅動，就可以將設備集成到任何FDT應用框架。

與現(xiàn)有設備描述（DD）相比，F(xiàn)DT擴展了其在集成復雜設備的能力。設備描述語言DDL在設備的圖形表示中有局限，對某些特殊特性只能實現(xiàn)有限的集成。而FDT/DTM克服了這些局限性。

8.2 利用FDT/DTM技術讀取HART設備信息

從相關網站下載免費的框架應用程序（PACTware、FieldCare、Field Control等）和所需的通信DTM（如：HART-DTM），再在制造商網站下載相關產品的設備DTM，把它們安裝在工作計算機上，就可以訪問相關設備的信息。

如果已有系統(tǒng)沒有HART通信功能，可通過HART調制解調器（FSK modem）直接訪問設備。以E+H的FieldCare為例，如圖8所示。

如果已有系統(tǒng)本身帶有HART通信功能，則可經網絡直接讀取系統(tǒng)內的HART信號，如圖9和圖10所示。

圖8 通過HART 調制解調器直接讀取HART信號

圖9 經PROFIBUS讀取HART信號

圖10 經PROFIBUS/以太網讀取HART信號

FDT/DTM技術令用戶在管理現(xiàn)場設備時有很大的靈活性。例如，對某HART設備，即使它不具有設備DTM功能，框架應用程序也可以通過通用的通信DTM（如HART-DTM）對標準的HART變量進行操作。

9 HART協(xié)議的特殊性和優(yōu)點

與FF等代表未來的全數(shù)字化現(xiàn)場總線相比，HART協(xié)議產生的背景是不同的。

全數(shù)字化意味著將取消傳統(tǒng)模擬信號的傳送方式，它要求每一個現(xiàn)場設備都具有智能及數(shù)字通信能力，操作人員或其他設備(傳感器、執(zhí)行器等)可向現(xiàn)場儀表發(fā)送指令(如：設定值、量程、報警值等)，同時，也能實時地獲得現(xiàn)場設備的有關狀態(tài)信息(如：測量值、環(huán)境參數(shù)、設備運行情況及設備校準、自診斷情況、報警信息、故障數(shù)據(jù)等)。此外,原來由主控制器完成的控制運算被分散到各個現(xiàn)場設備,大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

由于現(xiàn)場總線標準正處于完善和發(fā)展階段；而傳統(tǒng)的基于4-20 mA的模擬設備仍被廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。因此，馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實的。這就造成了作為連接傳統(tǒng)自控系統(tǒng)和全新數(shù)字信息系統(tǒng)的過渡協(xié)議—— HART協(xié)議。這是HART協(xié)議產生的必然性，的在目前階段具有不可替代的地位和優(yōu)勢的原因。

由于支持數(shù)字通信格式，與傳統(tǒng)模擬量系統(tǒng)比較，HART又前進了很大一步。HART協(xié)議具有下列特點：

9.1 雙向通信

采用模擬量信號只能單向傳送信息，不是從設備到主機（輸入），就是從主機到設備（輸出）。而采用HART協(xié)議可以雙向傳送數(shù)字信息。

因此，HART協(xié)議突破了傳統(tǒng)儀表只能從主機接收控制信號的方式——例如，閥門控制過程中，還可以向主機傳遞閥門的狀態(tài)信息。

同樣，以往只能把過程變量傳送給監(jiān)控計算機，現(xiàn)在也可以接收諸如組態(tài)設置等信息。

例如：一臺差壓式流量變送器，如果沒有HART通信功能，需要更改量程時，首先，需在控制室的工程師站修改現(xiàn)場儀表4-20 mA所對應的流量值，然后，到現(xiàn)場調校和修改差壓變送器的差壓讀數(shù)與4-20 mA信號輸出關系。當使用了4-20 mA+HART信號后，這一切操作都可在控制室的工程師站完成，而不必再去現(xiàn)場調試。

9.2 新類型信息

傳統(tǒng)的模擬量和離散量設備只能以單一的過程變量方式通信——因而很難找到一種簡便的方式判定發(fā)送的信息是否有效。

采用HART，不但可以獲取過程變量，還可以獲得其他類型的信息。通常每臺HART設備可包含35-40個標準信息項。例如：可包含設備狀態(tài)和診斷報警、過程變量和單位、回路電流和百分比范圍、生產商和設備標簽等，其他信息還包括：主機以數(shù)字方式查詢HART設備、告知設備的設置是否正確、運行是否正常等。該功能可免除大量的日常檢驗工作，并有助于在故障發(fā)生前，預見和發(fā)現(xiàn)過程的故障。

9.3 多變量儀表

數(shù)字通信模式下，一對電纜可以處理多個變量。例如，一個變送器可以處理多個傳感器的輸入。在一個報文中能處理4個過程變量。在任一現(xiàn)場HART儀表中，最多可處理256個過程變量。

9.4 不受制于供應商

采用HART時，用戶不再受制于某一特定供應商或地方“標準”。由于HART技術并不屬于某一家公司，也不受一個國家或標準實體單位的控制。實際上，該技術由不受約束的非盈利性單位HART通信基金會管理。

9.5 多渠道供應

在過程工業(yè)應用中，HART是目前世界上廣泛采用的通信協(xié)議。用戶可從不同供應商采購近幾百種帶HART通信功能的產品。產品種類的齊全意味著HART產品幾乎能夠滿足所有過程應用場合的需要，并且還可從多個經銷商選擇最適合的產品。

9.6 可互操作性

完全可互操作性指無論是哪個供應商的HART兼容產品和主系統(tǒng)都可以協(xié)同工作。為了與HART設備實現(xiàn)兼容，通常主系統(tǒng)采用統(tǒng)一表示的指令，更進一步，系統(tǒng)可采用設備描述來理解所有HART信息。

因此，不管控制系統(tǒng)的發(fā)展如何，HART系統(tǒng)憑借其同時兼容模擬信號和數(shù)字信號的特點，至少在近十年內，有其無法替代的優(yōu)勢和地位。

[1] 《HART協(xié)議簡介》[EB/OL].http//www.hartcomm.org.

[2] FISHER. DVC6000數(shù)字式閥門控制器. FISHER產品樣本，2003，6-9.

[3] 李寶華. 使用PACTware開放軟件進行控制閥故障診斷[J]. 控制閥信息，2011(7):38-40.

Construction of HART Protocol in Automatic Control System and Its Application Highlights

Yin Jiayun Yu Xubo
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120）

HART is a protocol used for the communication between onsite inTelligent instrument and the equipment in control room.In this article, the principle of HART protocol and the requirement of net constitute were briefly stated, and the industrial application technologies based on HART protocol, the specialty and perfection of the protocol were also described.

HART; FSK; HART connection; HART command; FDT/DTM

TQ056

A

1008-455X(2012) 02-0051-06

2012-01-30

殷家云（1980－），男，工程師，主要從事自動化儀表設計工作。

Tel：021-58366600-2757 E-mail：yinjiayun.ssec@sinopec.com