現(xiàn)場(chǎng)總線系列介紹之六：Hart基金會(huì)、通信協(xié)議和應(yīng)用

　　1. HART通信基金會(huì)

　　1.1 使命與價(jià)值觀

　　HART通信基金會(huì)是一個(gè)國(guó)際性的、非盈利的會(huì)員制組織，它支持和促進(jìn)HART通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的廣泛使用。

　　1.1.1基金會(huì)的使命

　　通過提供一流的通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、工具、技術(shù)專長(zhǎng)和應(yīng)用支持服務(wù)，以補(bǔ)充、扶持和支持先進(jìn)的功能，并提高現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的智能，從而服務(wù)全球過程自動(dòng)化行業(yè)和我們的會(huì)員。

　　我們的技術(shù)、服務(wù)和方案為開放、穩(wěn)定的環(huán)境提供基礎(chǔ)設(shè)施，以便造福會(huì)員和行業(yè)用戶，保護(hù)用戶的投資，促進(jìn)互用性，并確保符合HART通信的要求。

　　1.1.2 基金會(huì)的價(jià)值觀

　　作為一個(gè)組織機(jī)構(gòu)，我們珍視：

　　● 我們的會(huì)員;

　　● 我們的技術(shù);

　　● 我們對(duì)行業(yè)的責(zé)任;

　　● 我們對(duì)團(tuán)隊(duì)精神的承諾;

　　● 我們對(duì)安全、可靠性與環(huán)境的承諾。

　　我們提供用戶友好、可靠和安全的通信技術(shù)，幫助全球過程自動(dòng)化行業(yè)降低成本，提高生產(chǎn)率和降低風(fēng)險(xiǎn)。

　　1.2 基金會(huì)的管理

　　1.2.1日常管理和支持

　　基金會(huì)的日常管理工作由總裁兼首席執(zhí)行官指揮，由在得克薩斯州奧斯汀的行政人員、和在歐洲、中國(guó)、日本的運(yùn)營(yíng)經(jīng)理執(zhí)行。

　　基金會(huì)的管理遵從下面成員指導(dǎo)：

　　● 會(huì)員公司;

　　● 董事會(huì);

　　● 執(zhí)行委員會(huì);

　　● 官員-- 總裁、秘書和財(cái)務(wù)。

　　1.2.2標(biāo)準(zhǔn)管理和技術(shù)開發(fā)

　　基金會(huì)最顯著的屬性之一是我們的人員和項(xiàng)目能支持HART協(xié)議的全球應(yīng)用。我們有資深工程師和技術(shù)人員工作在我們的奧斯汀和地區(qū)辦事處，為成員和最終用戶奔波在世界各地，傳播技術(shù)，提供專業(yè)和應(yīng)用支持服務(wù)。

　　HART通訊標(biāo)準(zhǔn)是細(xì)化而穩(wěn)定的，但必須支持流程工業(yè)的需求而發(fā)展新功能和改進(jìn)，同時(shí)保持向后兼容和互操作的基本原則。由技術(shù)工作組調(diào)研、提出和開發(fā)技術(shù)的改進(jìn)，然后通過基金會(huì)的成員和董事會(huì)投票表決批準(zhǔn)。

　　1.3基金會(huì)組織結(jié)構(gòu)

　　HART通信基金會(huì)的組織結(jié)構(gòu)包括：

　　● 會(huì)員公司;

　　● 董事會(huì);

　　● 執(zhí)行委員會(huì);

　　● 官員-- 總裁，秘書和財(cái)務(wù);

　　● 工作人員;

　　● 技術(shù)委員會(huì)。

　　基金會(huì)的年度成員代表大會(huì)在每年的6月在世界選定的位置召開。董事會(huì)任期兩年，由會(huì)員投票選出。在任何年可選舉或重新選舉一半的董事會(huì)成員。

　　2. HART通信協(xié)議

　　2.1 HART概述

　　目前在世界各地所安裝的大多數(shù)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均具有HART功能。但是，初次接觸自動(dòng)化領(lǐng)域的一些朋友可能需要了解這項(xiàng)技術(shù)。

　　簡(jiǎn)而言之，HART(高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器)協(xié)議是智能設(shè)備與控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間在模擬線纜上發(fā)送和接收數(shù)字信息的全球標(biāo)準(zhǔn)。

　　更具體地說，HART是一個(gè)雙向通信協(xié)議，提供了智能現(xiàn)場(chǎng)儀表與主機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)訪問。主機(jī)可以是任何軟件應(yīng)用程序，從技術(shù)人員的手持設(shè)備或筆記本電腦，到工廠中使用任何控制平臺(tái)的過程控制、資產(chǎn)管理、安全或其他系統(tǒng)。

　　2.1.1 為現(xiàn)有工廠提供數(shù)字化升級(jí)

　　HART技術(shù)為下述這些工廠的運(yùn)營(yíng)者提供了一種可靠的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的解決方案，可以發(fā)揮智能設(shè)備數(shù)字通信功能的優(yōu)勢(shì)-- 該功能在大多數(shù)安裝設(shè)備中都已存在。由于目前運(yùn)行的大多數(shù)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，均基于傳統(tǒng)的4 - 20mA模擬線路，所以HART技術(shù)便可以發(fā)揮重要的作用，因?yàn)閿?shù)字信息可與4 - 20mA信號(hào)同步通信。

　　2.1.2數(shù)字化的作用

　　使用智能設(shè)備的在線調(diào)試、校準(zhǔn)和診斷功能時(shí)，HART技術(shù)充分發(fā)揮了其功效。

　　有幾個(gè)原因使用戶需要使智能設(shè)備與主機(jī)通信。包括：

　　● 設(shè)備的配置或重新配置;

　　● 設(shè)備診斷;

　　● 設(shè)備故障排除;

　　● 讀取設(shè)備所提供的額外測(cè)量值;

　　● 設(shè)備狀況和狀態(tài);

　　● 其它原因：使用HART技術(shù)擁有諸多好處，而且不斷有更多的用戶在他們的項(xiàng)目中報(bào)告其所帶來的好處。

　　這些優(yōu)勢(shì)和成功經(jīng)驗(yàn)解釋了為什么HART能成為通信協(xié)議中是使用最多的協(xié)議之一，并安裝在世界各地的3千多萬臺(tái)設(shè)備之中。

　　如果你曾經(jīng)使用座機(jī)電話，通過來電顯示知曉打電話的人，你已經(jīng)知道HART協(xié)議所做的一半工作了，即它告訴“誰”在打電話。在工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)“誰”便是基于微處理器的智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。除了讓這種智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備“給家打電話”之外，HART通信還讓主機(jī)系統(tǒng)向智能儀表發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　HART出現(xiàn)于80年代后期，基于模擬電話通信提供來電顯示的同樣技術(shù)。它經(jīng)歷了持續(xù)的發(fā)展，目前內(nèi)置無線HART通信的自動(dòng)化產(chǎn)品也已經(jīng)上市。

　　2.2 HART是如何工作的

　　“HART”是高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器的縮寫。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn)，將低電平的數(shù)字通信信號(hào)疊加在4 - 20mA之上。

　　圖1. 頻移鍵控(FSK)

　　這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙向現(xiàn)場(chǎng)通信，使智能現(xiàn)場(chǎng)儀表除了過程變量還能傳輸更多的信息。HART協(xié)議以1200 bps的速率通信，且不影響4 - 20mA信號(hào)，允許一個(gè)主機(jī)應(yīng)用程序(主設(shè)備)，從智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備每秒獲取兩次或兩次以上的數(shù)字更新。由于數(shù)字FSK信號(hào)是相位連續(xù)的，因而不會(huì)對(duì)4 - 20mA信號(hào)造成干擾。

　　HART技術(shù)是個(gè)主/從協(xié)議，這意味著，只有當(dāng)主設(shè)備發(fā)出信號(hào)時(shí)，智能現(xiàn)場(chǎng)(從)設(shè)備才會(huì)發(fā)送信號(hào)。HART協(xié)議可在多種模式下使用，如點(diǎn)到點(diǎn)或者多點(diǎn)模式，在智能現(xiàn)場(chǎng)儀表和中央控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間傳輸信息。

　　HART通信發(fā)生在兩個(gè)具有HART功能的設(shè)備之間，通常是智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間。通信使用標(biāo)準(zhǔn)的儀器級(jí)電纜，并且使用標(biāo)準(zhǔn)的接線和終端處理方式。

　　HART協(xié)議提供兩個(gè)同步通信通道：4 - 20mA模擬信號(hào)和一個(gè)數(shù)字信號(hào)。4 - 20mA信號(hào)利用4 - 20mA的電流回路-- 它是最快和最可靠的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，來傳輸測(cè)量值(在現(xiàn)場(chǎng)儀表的情況下)。另外，HART利用疊加在模擬信號(hào)之上的數(shù)字信號(hào)，來傳輸其它的設(shè)備信息。

　　數(shù)字信號(hào)中包含了來自設(shè)備的信息，包括設(shè)備狀態(tài)、診斷、額外的測(cè)量或計(jì)算值等。這兩個(gè)通信通道結(jié)合起來，提供了一種易于使用和配置的低成本、高可靠、完整的現(xiàn)場(chǎng)通信解決方案。

　　圖2. 兩個(gè)通信通道

　　HART協(xié)議最多可有兩個(gè)主設(shè)備(第一主設(shè)備和第二主設(shè)備)。這可以利用第二主設(shè)備，例如手持通信器，而不會(huì)對(duì)第一主設(shè)備，如控制/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信造成干擾。

　　圖3. 第一主站和第二主主站

　　HART協(xié)議允許與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)字通信采用點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)模式配置。

　　圖4. 點(diǎn)到點(diǎn)的配置

　　2.2.1 多點(diǎn)模式的配置

　　還有一個(gè)可選的“猝發(fā)”通信模式，其中單個(gè)從設(shè)備可連續(xù)廣播標(biāo)準(zhǔn)的HART回復(fù)信息。這一可選的“猝發(fā)”通信模式有可能采用更高的更新速率，使用通常只限于點(diǎn)到點(diǎn)的配置。

　　圖5. 多點(diǎn)配置

　　2.3 HART協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)

　　在模擬信號(hào)環(huán)境中工作的自動(dòng)化工程師經(jīng)常會(huì)說，“要是我不去現(xiàn)場(chǎng)，就能獲得設(shè)備信息的話…”或者“要是我能將那個(gè)壓力變送器的這項(xiàng)配置信息存入我的電腦的話…”。有了HART，他們就不再需要說出“要是”這樣的話了。世界各地的用戶已經(jīng)認(rèn)識(shí)到HART通信的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)使用HART功能的手持設(shè)備和便攜式電腦測(cè)試、校準(zhǔn)和診斷設(shè)備時(shí)，他們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)就能便捷地獲取設(shè)備的信息。事實(shí)上，設(shè)備的測(cè)試、診斷和配置從未變得如此的簡(jiǎn)單!

　　然而，許多人尚未認(rèn)識(shí)到HART技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)來自與實(shí)時(shí)的資產(chǎn)管理和/或控制系統(tǒng)的全天候連接。

　　2.3.1 HART技術(shù)可以幫助用戶

　　● 利用整套智能設(shè)備數(shù)據(jù)的能力，來提升運(yùn)營(yíng)能力。對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品或工藝性能出現(xiàn)變化進(jìn)行早期預(yù)警;

　　● 縮短發(fā)現(xiàn)到解決問題的時(shí)間;

　　● 不斷驗(yàn)證回路和控制/自動(dòng)化系統(tǒng)策略的完整性;

　　● 提高資產(chǎn)效率和系統(tǒng)可用性。

　　2.3.2 提高工廠的可用性

　　● 將設(shè)備和系統(tǒng)集成起來，可檢測(cè)先前檢測(cè)不到的問題;

　　● 實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備和/或過程的連接問題;

　　● 通過獲取新的早期預(yù)警，減少偏差造成的影響;

　　● 避免非計(jì)劃停機(jī)或過程中斷造成的高成本。

　　2.3.3 降低維護(hù)成本

　　● 快速確定和驗(yàn)證控制回路和設(shè)備配置;

　　● 使用遠(yuǎn)程診斷，可減少不必要的現(xiàn)場(chǎng)檢查;

　　● 捕獲性能趨勢(shì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù);

　　● 減少備件庫存和設(shè)備管理成本。

　　2.3.4 改善監(jiān)管合規(guī)

　　● 對(duì)合規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄;

　　● 幫助進(jìn)行自動(dòng)安全關(guān)機(jī)測(cè)試;

　　● 利用先進(jìn)的診斷，提高安全完整性等級(jí)(SIL);

　　● 利用多變量智能化設(shè)備，獲取更深入、準(zhǔn)確的報(bào)告。

　　2.3.5 HART技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)功能與現(xiàn)有4 - 20mA模擬網(wǎng)絡(luò)的兼容，具有廣泛的產(chǎn)品選擇

　　● 與標(biāo)準(zhǔn)4 - 20mA布線相兼容;

　　● 與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的同步傳輸;

　　● 通過直觀的菜單界面，幫助用戶進(jìn)行操作;

　　● 通過精確和穩(wěn)定的協(xié)議減少了風(fēng)險(xiǎn)，易于實(shí)現(xiàn)成本收益的最大化;

　　● 廣泛的產(chǎn)品選擇，有許多供應(yīng)商提供的兼容設(shè)備和應(yīng)用軟件;

　　● 平臺(tái)獨(dú)立，在多供應(yīng)商環(huán)境中提供完全的互操作性。

　　2.3.6 來自一流供應(yīng)商的全球性支持

　　在業(yè)界的解決方案中，幾乎所有全球一流的過程檢測(cè)和控制系統(tǒng)供應(yīng)商都積極支持HART技術(shù)。目前，由300余家HART通信基金會(huì)會(huì)員所制造的產(chǎn)品涵蓋了24多種設(shè)備種類，包括1300多個(gè)通過基金會(huì)注冊(cè)的設(shè)備。

　　2.4 HART規(guī)范

　　HART協(xié)議于80年代后期開發(fā)，并于90年代初移交給HART基金會(huì)。從那時(shí)起，它已經(jīng)更新了好幾次。每一次的協(xié)議更新都確保與以前的版本兼容。HART協(xié)議當(dāng)前的版本是7.3版?！?”表示主修訂號(hào)碼，而“3”表示次修訂號(hào)碼。

　　HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)了開放系統(tǒng)互連(OSI)7層協(xié)議模型的第1、2、3、4和7層。

　　2.4.1 HART協(xié)議物理層

　　以貝爾202標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，采用頻移鍵控(FSK)，1200bps的速率通信。代表0和1位值的信號(hào)頻率分別為2200和1200Hz。該低電平信號(hào)疊加在4到20mA的模擬測(cè)量信號(hào)之上，而不會(huì)對(duì)模擬信號(hào)造成任何干擾。

　　2.4.2數(shù)據(jù)鏈路層

　　定義了一項(xiàng)主從協(xié)議 - 在正常使用下，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備只在收到信號(hào)時(shí)才作回答。可以有兩個(gè)主設(shè)備，例如，控制系統(tǒng)作為第一主設(shè)備，而手持HART通信器作為第二主設(shè)備。時(shí)序規(guī)則定義每個(gè)主設(shè)備可以開始通信事務(wù)的時(shí)間。單個(gè)多點(diǎn)線纜對(duì)可以連接多達(dá)15個(gè)或更多的從設(shè)備。

　　2.4.3 網(wǎng)絡(luò)層

　　提供路由、端到端安全及傳輸服務(wù)。它管理與通信設(shè)備之間端到端通信的“會(huì)話”。

　　2.4.4傳輸層

　　數(shù)據(jù)鏈路層確保通信成功地從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備傳播。傳輸層可以被用來確保端到端通信的成功。

　　2.4.5 應(yīng)用層

　　定義了協(xié)議所支持的命令、響應(yīng)、數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報(bào)告。在應(yīng)用層，協(xié)議的公共命令分為四大類：

　　● 通用命令 - 提供在所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)的功能

　　● 常用命令 - 提供很多設(shè)備所共有的功能，但并不是所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有的功能

　　● 設(shè)備特定命令 - 提供某特定現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所特有的功能，由設(shè)備制造商所指定

　　● 設(shè)備系列命令 - 為特定測(cè)量類型的儀器提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的功能，允許無需使用設(shè)備特定指令便能進(jìn)行完全的通用性訪問。

　　通信協(xié)議的應(yīng)用

　　3.1阿普爾頓紙業(yè)利用HART加強(qiáng)資產(chǎn)管理

　　3.1.1項(xiàng)目目標(biāo)

　　● 以最低的成本升級(jí)和擴(kuò)展現(xiàn)有系統(tǒng);

　　● 提高儀表配置和預(yù)防維護(hù)能力;

　　● 增強(qiáng)故障排除能力。

　　3.1.2解決方案

　　● 安裝100多個(gè)HART流量計(jì)、控制閥和壓力傳感器;

　　● 通過PLC和支持HART的輸入/輸出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HART通信。

　　3.1.3 成果

　　● 僅在布線方面就節(jié)省了約40000美元;

　　● 通過遠(yuǎn)程配置設(shè)備節(jié)省了時(shí)間和資金;

　　● 由于所需的壓力和溫度變送器減少，因此又節(jié)省了10000美元。

　　造紙商阿普爾頓在對(duì)紙張涂層業(yè)務(wù)進(jìn)行重大升級(jí)時(shí)使用HART技術(shù)來加強(qiáng)資產(chǎn)管理。該公司在其位于威斯康星州阿普爾頓的工廠安裝了100多個(gè)支持HART的流量計(jì)、控制閥和壓力傳感器，取得了積極成效。

　　阿普爾頓控制系統(tǒng)技師克里斯μ范μ薩姆畢克表示：“HART為我們提供了絕佳的機(jī)會(huì)來以最低的成本擴(kuò)展現(xiàn)有控制系統(tǒng)?！?/FONT>