自控系统中HART协议的构成及应用要点

殷家云 俞旭波

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

自控系统中HART协议的构成及应用要点

殷家云 俞旭波

（中国石化集团上海工程有限公司，上海 200120）

HART是一种用于现场智能仪表和检制室设备之间的通信协议。概述了HART协议的原理及网络构成的要求，并论述了HART协议的工业应用技术，协议的特殊性和优美。

HART；频移键控技术；HART连接方式；HART命令；FDT/DTM

1 前言

在化工领域的工业自控系统中，HART是目前应用最广泛、也是最实用的通信协议。深入的了解与掌握HART协议的特点，以及其实用特性，不仅可以使目前我们设计的全厂自控系统更为灵活和实用，而且能够有效地帮助我们推进模拟控制系统向数字控制系统的发展，为未来全数字的现场总线系统运用打下基础。

2 HART的基本概念

在工业自控系统中，现场过程检测仪表一般都采用两线制环路供电的工作方式，也就是供电电压在12 V-48 V之间，环路电流为工业用4-20 mA标准电流。使用这种工作方式的检测仪表功能较简单，通常只能进行单变量的信号变送。

随着工业自控系统的发展和工艺的复杂化，原先的单变量信号变送器已经变得不能适应愈来愈复杂的控制要求，因此，多变量的智能变送器进入工业应用。与此所对应的，各类数字数据通信现

场总线技术也随之出现，如：FF基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。 而 除HART外，其余的现场总线均为全数字化现场总线协议。

HART(Highway Addressable Remote Transducer)的中文译名是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，它是美国Rosemount公司推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。

3 HART通信协议的原理及特点

HART通信采用的是半双工的通信方式。协议参考ISO/OSI（开放系统互连模型），采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第三层应用层。

作为一种混合协议，HART协议将模拟量和数字量通信融合，它既支持4-20 mA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通信。数字信息以FSK调制方式加载在标准的4-20 mA电流回路上。

FSK技术是基于Bell202通信标准的频移键控技术。它在4-20 mA的模拟信号上叠加幅度为0.5 mA的正弦电流调制波信号，如图1所示。

如图2所示，正弦信号平均值为0，HART通信协议虽然有±0.5 mA信号叠加在4-20 mA信号上，却不影响4-20 mA的平均值。图中，1 200 Hz表示逻辑“1”，2 200 Hz表示逻辑“0”，决定了HART的通信传输速率是1 200 bps。

图1 频移键控技术

图2 模拟信号叠加HART信号后的波形

在HART工作模式下，实际操作时，需要注意两点：

（1）智能设备要能检出HART通信信号，要求它有0.25 Vp-p（峰-峰电压）以上的电平，因而二线制智能设备与电源之间至少要有250 Ω以上的电阻，以免这一信号被电源的低内阻所短路。

（2）由于HART信号是在4-20 mA信号上叠加±0.5 mA信号，因此，其最小信号电流有可能为3.5 mA，对采用信号回路对两线制变送器供电时，供电电流超过3.5 mA，将导致数字信号负半周失真。因此，考虑到调节量所需的余量，对变送器供电电流一般不超过3.4 mA为好。

采用信号滤波技术，可从模拟信号中去除掉数字信号，因此，数字信号并不会影响模拟量信号传输。因此，HART协议最突出的特点是：数字通信与模拟信号4-20 mA兼容，传输的信号是调制后的正弦信号叠加在4-20 mA的模拟信号上。

4 HART网络的构成

为实现HART通信，要求上位机（或手操器）和需连接的仪表都要满足HART物理层、数据链路层和应用层的通信要求。即硬件上，必须有HART通信接口。图3是HART通信回路的典型构成。

4.1 设备

从设备分工上看，HART能辨认三种不同设备。

4.1.1 从设备

图3 HART通信回路的典型构成

它是最普遍最基本的设备，能对主设备发出的命令作出响应，它接受与提供带有测量值或其他数据的数字信号。

从设备一般为常见的现场仪表，如带HART通信接口的压力传感器、温度传感器、执行器等，只在被请求时才进行通信。

4.1.2 成组模式设备

它是具有成组通信能力的从设备。这种设备无需数据请求即可在固定的时间间隔周期性地发出带有测量值或其他数据的数字信号，因此，这类设备通常作为独立的数据广播设备。

4.1.3 主设备

主设备分为基本主设备（如：过程控制器单元）与临时使用的副主设备（如：手持通信器，Handhold Terminal）两类。主设备负责从设备及成组模式设备的初始化、数据交换及控制功能。

为使两种主设备能同时在通信链路上使用，协议具有对基本主设备和副主设备进行区分的能力。

4.2 通信介质

HART通信中可以使用现有的大多数电缆，推荐采用带屏蔽的直径大于0.51 mm的电缆。

通信介质的选择视传输距离长短而定。采用双绞同轴电缆时，单台设备使用距离可达3 000 m，多站最大传输距离可达到1 500 m。线路总阻抗应在230～1 100Ω之间。

4.3 传输方式

作为一种从模拟量信号向数字量信号过渡的的通信网络，HART协议有两种传输方式。

4.3.1 点对点的传输方式

图4 点对点的连接方式

如图4所示，回路中只有一台从设备，可继续使用传统的4-20 mA模拟信号传输主要的单变量信息，而从设备如智能变送器的调整、组态、校准、测试等数据用数字信号方式传输。

4.3.2 纯数字的多站信号传输方式

如图5所示，回路中有多台从设备（最多15台，对本安应用，因限制电流能量，从设备一般不超过4台），此时，模拟信号4-20 mA信号不起作用，每台从设备工作电流为4 mA左右，所有测量、调整和测试数据均用数字方式传输。每台从设备都有唯

图5 多站信号的数字传输方式

从一的编号（地址），所以，主设备能对每一台从设备进行操作。

4.4 通信方式

不论是点对点还是多站的传输方式，都可以通过主从通信模式（即命令和应答模式）和成组通信模式进行主设备和从设备之间的通信。

当处于成组通信模式时，允许总线上单一的从设备无需主设备发出请求，而自动地连续发出数据。即便是多站的传输方式，通常也只允许一台从设备处于成组通信模式的状态。

5 设备描述（DD）及作用

设备描述（即DD）是根据设备描述语言（DDL）规范所制作的电子数据文件，它在创建时为文本文件，然后再转换为标准的二进制文件。

设备描述（DD）描述了设备的具体特点和功能，包括主机应用程序（含手持设备）用来访问相应设备上所有参数和数据的菜单和图形显示功能的详细信息。DD允许访问所有命令。理解DD的主机系统然后就可以使用数据，并根据用户的意愿显示数据。

设备描述（DD）很好地解决了不同生产厂家HART协议产品互操作性和互换性问题。仪器仪表供应商除提供HART协议设备的硬软件外，还应按照标准格式提供DD文件，经由HART通信基金会（HCF）认可后对外公布，此后该文件进入各种手持编程器和PC机管理软件中。该厂商产品接入HART网络，系统就能自动识别，并建立数据交换关系，否则，不被认可的HART协议设备就无法接入网络系统。

HART通信基金会管理制造商HART设备描述的数据库。每一季度通过磁盘以及互联网（下载）发布DD库更新。所有HART通信基金会会员均可享有DD库的订阅服务[1]。

目前，常用的HART手操器有艾默森公司的375及475系列，对于任何新开发的符合HART协议的产品，只要该产品通过HART通信基金会发布其设备描述（DD）文件，然后用手操器载入该文件，我们就可以通过HART手操器来调试该设备了。

6 HART命令简介

HART的三层指令结构赋予设备制造商在设计设备时很大的自由度。

6.1 通用命令(Universal commands)

所有HART设备均必须拥有最小的指令集，以符合标准，这些命令被称为通用命令。通用命令对所有遵守HART协议的智能设备，不管它是什么公司的产品都应适用。这些命令提供的功能为所有设备所具有。

例如：读制造厂商名称及产品型号，原始过程变量及单位，读电流输出及百分比输出等。

6.2 常用命令(common-practice commands)

这类命令对大多数智能设备适用，但不要求完全一样。这些命令提供的功能不一定所有设备都具有。

它用于常用的操作，如：写变量的阻尼值、标定、写过程变量单位等。

6.3 专用命令(Device -Specific commands)

这类命令是针对每种具体设备的特殊性而设立的，因而它完全不要求统一。大多数专用命令用于设备参数组态。例如，对设备发送一套新的PID 算法参数。

7 通过工厂设备管理软件和工厂设备管理服务器管理现场仪表的HART数据

一个工厂的现场仪表数量种类繁多，为此，可以专门设立一台设备管理服务器，对现场仪表进行管理。

目前大多数主流系统厂商开发的DCS系统都带HART调制解调功能，设备管理服务器可经DCS系统读取现场仪表的HART信号，如图6所示。

对老厂改造，如果原有系统不带HART通信功能，同时又不想替换原有系统，则可通过现场端子组件上的HART多路转换器将4-20 mA标准模拟信号和HART剥离，4-20 mA信号继续送原有控制系统，而剥离的HART信号则经HART多路转换器与设备管理服务器进行数据通信。图7中，设备管理服务器还经MODBUS，与集散控制系统（DCS）通信，提供如阀门现场警报与报警类的关键信息。

图6 经DCS系统读取HART信号

以FISHER公司的DVC6000系列数字式阀门定位器为例，当以图5的方式建立网络，并在设备管理服务器内装AMS ValveLink软件，则阀门信息就成为实时信息。操作人员可通过AMS ValveLink软件，在控制室就可以监视多个仪表发出的警报与报警。此外，像配置、校验与诊断测试等任务也只需要在控制室实施。[2]

图7 通过HART多路转换器读取HART信号

8 FDT/DTM技术与HART技术的结合

FDT/DTM技术是对的现场总线通信协议（HART，Profibus，Foundation fieldbus等） 的一种补充。它本身并不是一个新协议，也不是为了替代某个现有协议而产生的。

FDT/DTM技术的目的是为最终工厂用户提供一个与现场总线类型、通信协议以及制造商都无关的，单一的，用于管理、调试和配置的工程环境。同时它使得用户能够在保留已有系统和设备的同时，使用新类型的现场总线、通信协议或新设备。

8.1 FDT/DTM内容

FDT（Field Device Tool）/DTM（Device Type Manager）技术包括三个要素：框架应用程序、设备DTM、通信DTM。

8.1.1 框架应用程序

用户首先需要一个框架应用程序，用于访问和配置各个不同制造商提供的现场设备参数。

正如可以利用一个固定Web浏览器打开各个不同网络供应商网站上的网页一样，FDT框架应用（Frame Application）就像一个容器（相当于上网用的浏览器），可以承载不同厂家提供的设备信息，并进行参数配置。

目前典型的框架应用软件有：Pactware联盟的PACTware[3]；E+H公司的FieldCare；ABB公司的Field Control等。

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

DTM（Device Type Manager：设备类型管理器）由设备制造商提供，分为设备DTM和通信DTM，它如同驱动程序，使用户的框架应用程序能轻松地访问设备制造商提供的内容。

设备DTM是设备制造商为每一台设备或者每一组设备开发的软件驱动程序，它包括所有设备的相关数据、功能和管理规则，它提供用于访问设备参数、配置和操作设备、标定和故障诊断的功能，可以进行复杂的诊断计算和维护，或者通过曲线、趋势和其他图形元素显示结果。

通信DTM与任何通信驱动程序一样，它将数据从一种协议转换到另一种协议，所不同的是它通过标准化FDT进行系统集成，而不是专用的接口。这就意味着用户在将现有的通信设备集成到FDT应用框架时，只需要相应的通信DTM即可。同样，供应商只需要根据FDT框架修改其设备的驱动，就可以将设备集成到任何FDT应用框架。

与现有设备描述（DD）相比，FDT扩展了其在集成复杂设备的能力。设备描述语言DDL在设备的图形表示中有局限，对某些特殊特性只能实现有限的集成。而FDT/DTM克服了这些局限性。

8.2 利用FDT/DTM技术读取HART设备信息

从相关网站下载免费的框架应用程序（PACTware、FieldCare、Field Control等）和所需的通信DTM（如：HART-DTM），再在制造商网站下载相关产品的设备DTM，把它们安装在工作计算机上，就可以访问相关设备的信息。

如果已有系统没有HART通信功能，可通过HART调制解调器（FSK modem）直接访问设备。以E+H的FieldCare为例，如图8所示。

如果已有系统本身带有HART通信功能，则可经网络直接读取系统内的HART信号，如图9和图10所示。

图8 通过HART 调制解调器直接读取HART信号

图9 经PROFIBUS读取HART信号

图10 经PROFIBUS/以太网读取HART信号

FDT/DTM技术令用户在管理现场设备时有很大的灵活性。例如，对某HART设备，即使它不具有设备DTM功能，框架应用程序也可以通过通用的通信DTM（如HART-DTM）对标准的HART变量进行操作。

9 HART协议的特殊性和优点

与FF等代表未来的全数字化现场总线相比，HART协议产生的背景是不同的。

全数字化意味着将取消传统模拟信号的传送方式，它要求每一个现场设备都具有智能及数字通信能力，操作人员或其他设备(传感器、执行器等)可向现场仪表发送指令(如：设定值、量程、报警值等)，同时，也能实时地获得现场设备的有关状态信息(如：测量值、环境参数、设备运行情况及设备校准、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被分散到各个现场设备,大大提高了系统的可靠性和灵活性。

由于现场总线标准正处于完善和发展阶段；而传统的基于4-20 mA的模拟设备仍被广泛应用于工业控制的各个领域。因此，马上全数字化是不现实的。这就造成了作为连接传统自控系统和全新数字信息系统的过渡协议—— HART协议。这是HART协议产生的必然性，的在目前阶段具有不可替代的地位和优势的原因。

由于支持数字通信格式，与传统模拟量系统比较，HART又前进了很大一步。HART协议具有下列特点：

9.1 双向通信

采用模拟量信号只能单向传送信息，不是从设备到主机（输入），就是从主机到设备（输出）。而采用HART协议可以双向传送数字信息。

因此，HART协议突破了传统仪表只能从主机接收控制信号的方式——例如，阀门控制过程中，还可以向主机传递阀门的状态信息。

同样，以往只能把过程变量传送给监控计算机，现在也可以接收诸如组态设置等信息。

例如：一台差压式流量变送器，如果没有HART通信功能，需要更改量程时，首先，需在控制室的工程师站修改现场仪表4-20 mA所对应的流量值，然后，到现场调校和修改差压变送器的差压读数与4-20 mA信号输出关系。当使用了4-20 mA+HART信号后，这一切操作都可在控制室的工程师站完成，而不必再去现场调试。

9.2 新类型信息

传统的模拟量和离散量设备只能以单一的过程变量方式通信——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，不但可以获取过程变量，还可以获得其他类型的信息。通常每台HART设备可包含35-40个标准信息项。例如：可包含设备状态和诊断报警、过程变量和单位、回路电流和百分比范围、生产商和设备标签等，其他信息还包括：主机以数字方式查询HART设备、告知设备的设置是否正确、运行是否正常等。该功能可免除大量的日常检验工作，并有助于在故障发生前，预见和发现过程的故障。

9.3 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。在一个报文中能处理4个过程变量。在任一现场HART仪表中，最多可处理256个过程变量。

9.4 不受制于供应商

采用HART时，用户不再受制于某一特定供应商或地方“标准”。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。

9.5 多渠道供应

在过程工业应用中，HART是目前世界上广泛采用的通信协议。用户可从不同供应商采购近几百种带HART通信功能的产品。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，并且还可从多个经销商选择最适合的产品。

9.6 可互操作性

完全可互操作性指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。为了与HART设备实现兼容，通常主系统采用统一表示的指令，更进一步，系统可采用设备描述来理解所有HART信息。

因此，不管控制系统的发展如何，HART系统凭借其同时兼容模拟信号和数字信号的特点，至少在近十年内，有其无法替代的优势和地位。

[1] 《HART协议简介》[EB/OL].http//www.hartcomm.org.

[2] FISHER. DVC6000数字式阀门控制器. FISHER产品样本，2003，6-9.

[3] 李宝华. 使用PACTware开放软件进行控制阀故障诊断[J]. 控制阀信息，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，工程师，主要从事自动化仪表设计工作。

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