如果要看HART協(xié)議什么時(shí)候成為標(biāo)準(zhǔn)，那應(yīng)該是1986年由羅斯蒙特公司完成的，距今已有38年了。那個(gè)時(shí)候微處理器已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)儀表了，很多變送器已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字化、多變量化，但以往使用的4-20mA模擬信號(hào)只能傳遞單個(gè)變量，難以滿足新需求。而HART協(xié)議是全數(shù)字化、雙向、多變量的通信協(xié)議，它可以在控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表間同時(shí)提供多個(gè)變量值與狀態(tài)信息的傳輸，這種新型的數(shù)字協(xié)議成為當(dāng)時(shí)的迫切需求。同期也有一些控制系統(tǒng)供應(yīng)商自行開(kāi)發(fā)了數(shù)字協(xié)議與智能設(shè)備通信，如日本橫河公司的BRAIN協(xié)議、霍尼韋爾公司的數(shù)字增強(qiáng)(Digital Enhancement，DE)協(xié)議等。但這些數(shù)字協(xié)議除了向少數(shù)幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供應(yīng)商發(fā)放許可證并允許他們使以外，不向其他廠商開(kāi)放。所以當(dāng)時(shí)各行業(yè)的制造商和客戶都在尋找一種開(kāi)放的協(xié)議，可以跨多個(gè)供應(yīng)商互換使用。羅斯蒙特公司當(dāng)時(shí)做了一個(gè)非常聰明的事情是在提出HART協(xié)議并開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品后，于1993年將與控制系統(tǒng)通信的HART協(xié)議捐贈(zèng)給HART基金會(huì)，對(duì)全球現(xiàn)場(chǎng)儀表廠商開(kāi)放，這一舉動(dòng)受到了儀表供應(yīng)商和最終用戶的歡迎和支持。HART協(xié)議的LOGO見(jiàn)下圖。
HART協(xié)議采用的頻移鍵控(FSK)技術(shù)，是在4-20mA電流上疊加頻率信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信的，不會(huì)對(duì)4-20rnA過(guò)程信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響，可以在不中斷模擬傳輸信號(hào)的情況下完成真正的數(shù)字同步通信。這在開(kāi)創(chuàng)新技術(shù)的同時(shí)又兼容了原有的4-20mA模擬技術(shù)，在確保現(xiàn)有系統(tǒng)仍可運(yùn)行的情況下增添了更加豐富的、用于過(guò)程測(cè)量和控制的數(shù)字信息，它還具備現(xiàn)場(chǎng)總線的一些優(yōu)越性。正因?yàn)槿绱耍琀ART協(xié)議已成為全球智能儀表普遍使用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全球超過(guò)4000萬(wàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用了HART協(xié)議。
在隨后我們大家經(jīng)歷的“現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)”中，HART作為現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形，沒(méi)有倒下。情況正好相反，采用HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量仍在不斷增加，大多數(shù)控制系統(tǒng)也推出具有HART通信功能的I/O卡件，使帶HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等同于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備一樣使用。
很多自動(dòng)化儀表的技術(shù)引用一段時(shí)間后就被淘汰了，但令人意想不到的是，一直到今天，到了二十一世紀(jì)的20年代，HART這個(gè)縮寫詞還不斷出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的不同媒體上，形式上是加了個(gè)后綴，變成了HART-IP，而且還很時(shí)髦，先是出現(xiàn)在WirelessHART里，后來(lái)出現(xiàn)在多路復(fù)用器里，最近又出現(xiàn)在Ethernet-APL中，使我對(duì)HART的感覺(jué)是：“這玩意兒不賴，生命力挺強(qiáng)的啊”！
什么是HART?
HART技術(shù)采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控(Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK)信號(hào)，在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為±0.5mA的頻率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。數(shù)據(jù)傳輸率為1200bit/s。疊加在模擬信號(hào)上的HART信號(hào)如圖1所示：1200Hz代表邏輯“1”；2200Hz代表邏輯“0”，由于FSK信號(hào)的平均值為0，不影響與控制系統(tǒng)間模擬信號(hào)傳送值的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。過(guò)程的主測(cè)量和控制信息由4-20mA傳送(對(duì)應(yīng)模擬頻段0~25Hz)；其他更多的測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息等通過(guò)HART協(xié)議中的數(shù)字通道傳送(對(duì)應(yīng)FSK通信頻段0.95~2.5kHz)。
圖1 疊加在模擬信號(hào)上的HART數(shù)字信號(hào)
與同時(shí)代的變送器數(shù)字通信協(xié)議比較，如霍尼韋爾公司的DE數(shù)字增強(qiáng)協(xié)議，DE協(xié)議中的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)是分開(kāi)傳送的兩個(gè)通道，當(dāng)傳送數(shù)字信號(hào)時(shí)，模擬信號(hào)需中斷。而HART協(xié)議是在低頻的4~20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為±0.5mA的頻率數(shù)字信號(hào)，可同時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)字傳輸。
HART協(xié)議的物理層是兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線既是4~20mA的電流環(huán)路，又可以為設(shè)備供電，還能同時(shí)進(jìn)行模擬信號(hào)傳輸和數(shù)字信號(hào)通信，且互不干擾。還可以這樣說(shuō)，4-20mA信號(hào)是傳輸媒介，而HART是“通信協(xié)議”。
HART協(xié)議優(yōu)點(diǎn)
1、雙向通信
模擬量信號(hào)只能單向傳送信息，如從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳送到控制室(輸入)，或從控制室傳送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(輸出)。HART協(xié)議可以雙向(輸入、輸出)傳送信息。
2、多種類型信息
模擬量信號(hào)只能傳送過(guò)程變量，而HART設(shè)備可以傳送數(shù)十個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信息項(xiàng)，如設(shè)備狀態(tài)和診斷報(bào)警、過(guò)程變量和測(cè)量單位、回路電流和百分比范圍、基本配置參數(shù)、生產(chǎn)商和設(shè)備標(biāo)簽等。其他信息還包括主機(jī)以數(shù)字方式查詢HART設(shè)備時(shí)回復(fù)的設(shè)置是否正確、運(yùn)行是否正常。這樣多種類型的信息有助于在故障導(dǎo)致重大事故前預(yù)測(cè)過(guò)程故障，以免除大多數(shù)日常維護(hù)工作。
3、多變量?jī)x表
數(shù)字通信模式下，一對(duì)電纜可以處理多個(gè)變量，如一個(gè)流量變送器可以處理差壓、壓力、溫度3個(gè)傳感器的輸入，則其在一個(gè)報(bào)文中能處理4個(gè)過(guò)程變量。
4、互操作性
通過(guò)互操作性認(rèn)證，用戶可采購(gòu)不同供貨商的HART產(chǎn)品在同一個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作，而不會(huì)受制于某個(gè)特定的供貨商。
5、兼容性
兼容模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳送，用戶可選擇相應(yīng)I/O設(shè)備，以接收模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或同時(shí)接收模擬及數(shù)字信號(hào)。
HART作為一種工業(yè)通信協(xié)議，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)/開(kāi)放式系統(tǒng)互連(Open System Interconnect，OSI)七層模型，2007年被列入IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線通信規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)(Type20)，并于2013年正式成為我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29910。
作者：方原柏
