HART协议在智能化仪表中的研究与应用

　　1 HART 协议概述

　　随着科技的发展，全数字化最终将替代传统的模拟信号的传送方式, 而要求每一个现场设备都具有智能及数字通信的能力, 使得操作人员或其他设备(传感器、执行器等) 向现场发送指令(如设定值、量程、报警值等)，同时也能实时地得到现场设备各方面的情况(如测量值、环境参数、自诊断情况、报警信息、故障数据等)。此外, 原来由主控制器完成的控制运算也分散到了各个现场设备上, 大大提高了系统的可靠性和灵活性。现场总线技术关键之处在于系统的开放性, 强调对标准的共识与遵从, 打破了传统生产厂家各自独立标准的局面, 保证了来自不同厂家的产品可以集成到同一个现场总线系统中, 并且可以通过网关与其他系统共享资源。

　　目前, 一方面现场总线标准正处在完善和发展的阶段,另一方面传统的基于 4~20mA 的模拟设备还在广泛应用于工业控制各个领域。因此, 马上全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡, HART 通信协议应运而生。它参照“ISO /OSI”的模型标准, 简化并引用其中 3 层, 即物理层、数据链路层和应用层制定而成;能够在一条电缆线上同时传输 4~20mA DC的模拟信号和数字信号, 使模拟信号和数字双向通讯能同时进行, 互不干扰。图 1 所示, 在 4 ~20mA DC基础上叠加幅度为±0.5mA的不同频率的正弦调制波作为数字信号, 1200Hz 频率代表逻辑“1”, 2200Hz 代表逻辑“0”。其传送速率为 1200bit/s。

　　HART 装置提供具有相对低的带宽, 适度响应时间的通信, 经过 10 多年的发展, HART 技术在国外已经十分成熟, 并已成为全球智能仪表的工业标准。

　　2 HART协议的技术特点及应用

　　(1)HART 通信采用半双工的通信方式，HART 协议参考 ISO/ OSI (开放系统互连模型)，采用了它的简化 3 层模型结构, 即第 1 层物理层, 第 2 层数据链路层和第 7 层应用层。在 HART 协议通信中, 主要的变量和控制信息由 4~20mA 传送, 在需要的情况下, 另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过 HART 协议访问。

　　(2)操作器能从带 HART 协议的仪表中提取管理信息, 包括生产厂商、设备类型、设备编号、描述、量程、传感器上下限、工程单位、阻尼时间、传递函数等。

　　(3)操作器能从 HART 仪表中提取测量信息, 包括主变量、电流、量程百分比等。

　　(4)操作器能对 HART 仪表进行组态, 包括节点地址、主变量量程上下限、工程单位、阻尼时间、传递函数等。

　　(5)操作器能对 HART 仪表进行校准, 包括 4mA、20mA 电流校准、传感器调零、传感器上下限校准等。HART 采用频移键控(FSK)技术。它基于 Bell202 通信标准,在 4~20mA 模拟信号上叠加不同的频率信号来传送数字信号，数据传输速率为 1200bps(位/s)。