通过模拟信号进行数据通信是一种常见的过程。在自动化过程中,数据通过几个不同的过程仪表与控制器进行通信。质量很重要,因为控制器和智能仪器必须远距离通信。
此外,设备和控制器之间的数据通信必须由协议(即一组数字消息格式和规则)规定。工业自动化中使用了许多通信协议,包括As-i、BSAP、CIP、CAN总线、DeviceNet、DirectNet、EtherCAT、EtherNet/IP、EGD、Powerlink、HART、Interbus、Modbus、OSGP、Profibus、MPI等。
HART(高速公路可寻址远程传感器)协议是工业自动化中最常用的协议之一。基于传统的4-20mA模拟仪器布线,HART协议使用一对导线在工业控制器和智能过程仪器之间进行数据通信。
理解模拟传输
计算机系统和接口使用数字电压信号进行数据通信。然而,电压信号的问题在于,它们会受到电线电阻的影响,这使得通过电压信号进行长距离的数据通信变得不切实际。这就是为什么在自动化中通常使用电流循环。
自80年代以来,4-20 mA一直是事实上的自动化布线标准。4ma的值代表“活零”,帮助维持回路供电仪器的最小电流。
这些电流回路使用模拟(连续)信号进行数据通信。使用数字调制技术将数字数据叠加在载波信号(电流)上。幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和正交相移键控(QPSK)是目前最常用的数字调制技术。
了解HART协议吗?
高速公路可寻址远程传感器(HART)是一种工业自动化协议。它是智能处理仪器与控制或监控主机系统之间双向模拟通信的全球标准。
主机系统可以是笔记本电脑、手持设备或工业过程控制系统(PLC/DCS)。该协议基于Bell 202标准,能够使用FSK将数字信息叠加到传统的4-20 mA模拟信号上。该协议也由HART通信基金会(HCF)维护,并定义物理连接以及应用程序使用的命令。
HART协议以1200bps的速度通信数据,允许主机在一秒钟内从智能场设备获得至少两次更新。该协议提供两个同步通道:
1.4- 20ma模拟信号-用于通信主要测量值
2.叠加在模拟信号上的数字信号,用于传递附加信息
由于FSK信号的平均值为零,调制不会中断载波模拟信号。
HART是一种主从协议,允许以点对点或多点模式进行数据通信。最多两个主机(在点对点配置中)可以同时共享通信总线。这就允许手持通信器作为辅助主机运行,而控制或监控系统作为主主机运行。
HART协议是如何工作的
HART协议利用了FSK。数字数据用两种不同的频率表示。频率1200hz表示位1,2200 Hz表示位0。
通过叠加两个频率的直流模拟信号,HART提供了同时的模拟和数字通信。4 ~ 20ma信号为不受数字调制的影响。
因此,HART被称为混合协议。
HART是一种主从协议,整个数据通信过程由主机系统发起和控制。它是从启用了hart的现场设备请求数据的主机设备。这个现场设备只是根据协议响应HART命令。
HART协议在两根电线上运行,允许主控制器和现场设备之间进行双向通信。
也有无线shart解决方案可用。然而,无线shart网关不使用模拟信号进行数据传输。相反,他们通过无线载波使用数字参数。
哈特网络
启用hart的设备可以运行在两种配置中的一种:
- 点对点:当启用了HART功能的设备与主机系统之间发生HART通信时。主变量(数据)通过模拟信号通信,所有附加变量使用数字信号通信。主机系统最多可以包括两个主机:一个主主机和一个备用主机。
- 多点:当多个启用hart的设备并联到传输线时。根据HART v07, 64个现场设备可以以多点配置连接到HART总线。这些设备仅使用数字通道进行数据通信,而模拟信号则保持固定在4ma。每个设备都有一个唯一的HART地址,没有两台设备可以同时访问传输线。
HART协议
HART协议中的数据是以包的形式传输的。每个消息包包含以下数据字段:
前言- - - - - -包括5到20字节的十六进制值“FF”,它从主机系统传输到现场设备。大多数主机系统只传输5个前导字节。传输这些字节是为了帮助现场设备与数据流同步。
开始字符-在前导字节之后,开始字节从主设备(主机)传输到现场设备。这个字节可以表示几个值中的一个,并且通常包含主控号。start字符是HART包开始的指示符。
除了主号码外,它还可以包含以下指标:
- 消息格式-例如主-从、从-主或从发送的突发消息
- 地址格式-短或长框架
- 扩展字段的字节数
地址-可能有1到5个字节。它包含主地址和从地址。主地址的指示是单个位,其中1表示主主,0表示备主。从地址的指示在短帧中是一个4位轮询地址,在长帧中是一个38位唯一标识符。一个比特用来表示从机的突发模式。
扩张,可能包含0到3个字节。扩展字段的字节数包括起始字符的第5位和第6位。
命令- - - - - -有一个包含HART命令的字节。
- 通用HART命令的范围是0到30
- 实践命令的范围为32到126
- 设备相关命令的取值范围为128 ~ 253
从HART v06开始,也支持设备族的16位扩展命令。这些命令以0x1F作为命令字节开始,后面是一个2字节的命令。
字节数-具有一个字节,指示状态和数据字段中的字节数。它让接收域设备知道消息包什么时候结束。
状态- - -只存在于从服务器传输到主服务器的消息中。它包含两个字节,指示通信错误、所接收命令的状态或接收字段设备的状态。
数据-长度为0 ~ 255字节。数据字段的存在取决于特定的命令。所有通用和常用的实践命令都有33字节的数据字段。
校验和,HART消息将以校验和字节结束。它是前面所有字节的异或。为了检测通信错误,每个字节附加一个奇偶校验位。校验和字节有助于维护HART消息的整体完整性。
HART模式
HART协议有两种运行模式:
- 主从模式:主机系统发起并控制整个数据通信。可以有两个主节点,包括HART环路中的主节点和次节点。主主机可以是分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)或工作站。次要主机可以包括手持通信器或笔记本电脑/PC。从设备可以是hart支持的传感器、执行器、控制器或发射机。
- 破裂模式:仅在点对点配置中可用。在这种模式下,从设备不断地向主设备广播标准的HART应答消息。一旦主设备指示从设备广播消息,从设备就会继续发送响应,而不需要轮询。它只在收到来自主机系统的进一步指令时停止。这就是为什么这种模式允许更快的数据通信,每秒最多3或4次更新。
HART申请
当使用HART协议时,一条消息中可以传输四个或更多的变量。多变量仪器可以充分利用该协议。事实上,现在有数百万支持hart的设备用于过程自动化和其他工业应用。
此外,HART通信基金会的250多家成员公司在市场上拥有HART支持的产品。其中一些产品用于DCS和PLC应用。
由于HART使用较老的4-20 mA标准,它已成为事实上的智能场设备和网格仪器用数据通信标准。智能场设备和传感器使用此协议通信设备配置、诊断数据、设备状态、设备故障排除和测量值。
无线shart也广泛应用于仪器仪表和自动化。它允许无需复杂的多路复用和电缆安装的传感器数据通信。
设备描述
通常,主机系统在使用HART协议时使用高级语言应用程序进行数据通信。该协议由主机设备上的软件实现。由于主机系统可能需要与多个不同的HART设备通信,因此软件必须“知道”特定设备支持的HART命令。
类似于为计算机外设编写设备驱动程序以与不同的计算机系统通信,HART设备也有设备描述(DD)。
设备描述用HART设备描述语言(DDL)编写,设备制造商将其源文件提交给HCF,以便在HCF DD库中注册。经过验证后,这些源文件可用于主机应用程序。
主机应用程序使用这些DD文件来识别通用实践和特定设备支持的特定于设备的命令。通过使用dd,主机供应商不需要为每个不同的HART设备构建定制接口和驱动程序。
利与弊
HART协议在自动化和仪器仪表领域具有许多优势。也许最伟大的是,它是基于传统的4-20毫安标准。这种4- 20ma布线的重用不仅意味着该协议具有成本效益,而且还允许它在工业制造商和供应商中得到广泛接受。
今天,有许多HART产品可以与主机应用程序和设备相兼容。该协议高度准确、可靠,而且是平台独立的——允许在多供应商环境中完全互操作性。作为一种混合协议,它也是多变量仪器的首选。由于具有快速设备配置的自诊断能力,HART协议现在通常用于智能场设备。
然而,也有一些限制。例如,HART传输中的数字信号相对较慢。此外,对于多滴配置,模拟信号是不可用的,可以共享传输线的设备数量是有限的。这些限制通常意味着需要与其他协议和标准集成。
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