在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）成為主流之前，讓兩臺機器（或其中的組件）相互交談的好處對工業(yè)自動化和控制專家來說是顯而易見的。位于曲軸核心的溫度傳感器中的值會發(fā)送測量值以控制電機驅(qū)動繼電器等，這一點很清楚，實現(xiàn)這一目標的通信協(xié)議之一是HART協(xié)議。

HART協(xié)議在全球安裝了超過3000萬臺基于它的設備，被認為是工業(yè)自動化中最流行的協(xié)議，今天的文章將概述它為何如此特別。我們將檢查其功能、應用和升級版本，如WirelessHART。

概述

高速公路可尋址遠程傳感器（HART）協(xié)議是工業(yè)自動化中最流行的開放式通信協(xié)議之一，用于通過智能設備和控制系統(tǒng)之間的模擬接線發(fā)送和接收數(shù)字信息。該協(xié)議是對RS485等串行通信協(xié)議的改進，也是業(yè)界普遍使用的事件。

它是艾默生在1980年代開發(fā)的一種專有通信協(xié)議，旨在解決現(xiàn)有4-20mA通信協(xié)議中只能傳輸一個參數(shù)或測量值的缺陷。借助HART，工業(yè)自動化工作可以實現(xiàn)雙向通信，解決了4-20mA的缺點，但也保留了其基礎設施，因為HART協(xié)議可以通過將數(shù)字信號疊加在模擬信號上來發(fā)送數(shù)字信號，而不會失真或干擾。

上述效果是創(chuàng)建了兩個同時通信通道：4-20mA模擬信號和數(shù)字信號。這種組合就是該協(xié)議被稱為混合協(xié)議的原因。儀表設備等典型應用可以使用4-20mA信號發(fā)送一次測量值，并使用疊加的數(shù)字信號發(fā)送信息。

對基于4-20mA的設備的支持意味著公司可以繼續(xù)使用他們的舊硬件。這一點，隨著協(xié)議變得“開放”，推動了協(xié)議的采用水平很高，直到它成為業(yè)界事實上的標準

HART通訊協(xié)議的工作

HART通信發(fā)生在兩個支持HART的設備之間，通常是智能現(xiàn)場設備和控制或監(jiān)視系統(tǒng)。如前所述，基于協(xié)議的設備使用現(xiàn)有的4-20mA方法傳輸模擬信號，并使用Bell202頻移鍵控（FSK）標準。

FSK過程涉及疊加兩個頻率的正弦波，通常為1200Hz和2200Hz，它們代表正在發(fā)送的數(shù)據(jù)的位（分別為1和0）。FSK的使用保證了兩個頻率的平均值始終為零，保證了模擬信號不受數(shù)字信號的影響。

網(wǎng)絡配置模式

為滿足各種應用的需要，HART協(xié)議下的設備可以配置為兩種主要的運行模式；

點對點模式

多點模式

1.點對點網(wǎng)絡模式

在點對點模式中，數(shù)字信號覆蓋在4–20mA回路電流上，這樣4–20mA電流和數(shù)字信號都可以用于在主機和從機之間傳送信息。這代表了協(xié)議的典型應用，具有輔助變量和數(shù)據(jù)，可用于監(jiān)控、維護和診斷目的，通過數(shù)字信號交換，而控制信號通過協(xié)議的模擬部分發(fā)送。下圖提供了點對點網(wǎng)絡配置的圖示。

2.多點網(wǎng)絡模式

Multi-Drop網(wǎng)絡配置模式使多個設備能夠以類似于i2c等基于地址的協(xié)議的方式連接在同一對電線上。多點模式下的通信完全是數(shù)字化的，因為通過模擬回路電流的通信被禁用，因為通過每個設備的電流都固定在剛好足以讓設備運行的最小值（通常為4mA）。多點網(wǎng)絡配置通常用于像油罐區(qū)和管道等間距較大的監(jiān)控應用。多點網(wǎng)絡配置如下圖所示。

通訊方式

通常，對于HART協(xié)議下的通信，需要將網(wǎng)絡中的一個設備（通常是分布式控制系統(tǒng)或PLC）指定為主站，而將其他設備（通常是傳感器或執(zhí)行器等現(xiàn)場設備）指定為從站。

但是，從設備與主設備通信的方式取決于網(wǎng)絡配置的通信模式?？梢栽O置符合HART協(xié)議的設備網(wǎng)絡以兩種模式進行通信，即：

請求-響應通信模式

突發(fā)模式

1.請求-響應通信模式

在請求-響應通信模式下，從設備僅在主設備發(fā)出請求時才傳輸信息。雖然這種模式有其缺點，特別是降低了通信速度（每秒2-3次數(shù)據(jù)更新），但它有助于保持協(xié)議簡單、有效、易于實施。

2.突發(fā)模式

為了給應用需求的變化騰出空間，該協(xié)議有另一種通信模式，稱為“突發(fā)”模式。在這種模式下，從設備可以連續(xù)發(fā)送一條信息，而不需要來自主設備的重復請求。此模式提供更快的通信速度，每秒最多更新3-4次，通常用于需要多個HART設備來偵聽來自HART回路的通信的情況。

為了允許大多數(shù)工業(yè)應用所需的外部監(jiān)控，兩種通信模式都支持最多兩個定義為主要和次要的主機。如上圖所示，主要主機通常是主控制/監(jiān)控系統(tǒng)，而次要主機通常是手持終端（又名HART通訊器）之類的設備，它僅在短時間內(nèi)連接到HART回路。

好處

HART協(xié)議相對于同類協(xié)議的一些優(yōu)勢包括：

1.雙向通信

例如，使用4-20mA模擬信號允許信息僅在一個方向上流動（發(fā)射器到接收器）。通過HART通信，數(shù)據(jù)可以雙向傳輸。

2.新型信息

像4-20mA這樣的傳統(tǒng)通信通道只允許對單個過程變量進行通信，沒有驗證空間，但使用HART，您可以獲得多達40個附加信息以及過程變量。

可以從基于HART的設備中收集到的附加信息的一些示例包括：

設備狀態(tài)和診斷警報

過程變量和單位

回路電流和百分比范圍

基本配置參數(shù)

制造商和設備標簽

使用這些額外信息的組合，HART設備可以自行向主站/主機設備報告其配置或操作問題。這有助于減少對例行檢查的需求，并且對于預測性維護非常有用。

3.多變量設備

在數(shù)字模式下，一對電線可以處理多個變量。例如，一臺變送器可以處理來自多個傳感器的輸入

4.供應商獨立性

與HART相關的所有內(nèi)容都由艾默生移交給HART通信基金會，因此這些標準是開放的，并不特定于某個供應商。這意味著沒有被鎖定在有限的供應商特定或區(qū)域“標準”中的危險。

5.供應廣度

HART目前被認為是全球過程工業(yè)中支持最廣泛的協(xié)議。它是如此受歡迎，以至于工業(yè)設備兼容HART的概率幾乎為1。

6.互操作性

無論供應商、型號和其他困擾網(wǎng)絡的兼容性/互操作性問題如何，符合HART的設備和主機系統(tǒng)都可以協(xié)同工作。即使不是為處理來自HART設備的數(shù)字信息而設計的主機設備，仍將通過4-20mA模擬信號與通信具有一定程度的互操作性。

無線HART

HART協(xié)議多年來隨著技術的進步和用例的日益復雜而不斷發(fā)展。其發(fā)展的最新產(chǎn)品之一是一項名為WirelessHART的新技術，它通過無線傳輸HART信息提供了全新的可能性。

它是過程自動化領域第一個標準化（IEC62591）無線通信協(xié)議。與常規(guī)HART協(xié)議不同，它在此階段僅支持通過數(shù)字信號進行的通信，因為沒有使用連接電纜，因此不提供模擬通信。

目前，有兩種不同的WirelessHART解決方案，包括：

用于增強現(xiàn)有HART設備的WirelessHART適配器

一個自供電的WirelessHART發(fā)射器。

WirelessHART可用于現(xiàn)有的有線儀器，以收集以前滯留在儀器中的大量信息，并且還提供了一種經(jīng)濟高效、簡單且可靠的方式來部署新的測量和控制點，而無需布線成本。