在物聯網（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送測量值以控制電機驅動繼電器等，這一點很清楚，實現這一目標的通信協議之一是HART協議。

HART協議在全球安裝了超過3000萬臺基于它的設備，被認為是工業自動化中最流行的協議，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）協議是工業自動化中最流行的開放式通信協議之一，用于通過智能設備和控制系統之間的模擬接線發送和接收數字信息。該協議是對RS485等串行通信協議的改進，也是業界普遍使用的事件。

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

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

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

HART通訊協議的工作

HART通信發生在兩個支持HART的設備之間，通常是智能現場設備和控制或監視系統。如前所述，基于協議的設備使用現有的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，它們代表正在發送的數據的位（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字信號的影響。

網絡配置模式

為滿足各種應用的需要，HART協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.點對點網絡模式

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

2.多點網絡模式

Multi-Drop網絡配置模式使多個設備能夠以類似于i2c等基于地址的協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）。多點網絡配置通常用于像油罐區和管道等間距較大的監控應用。多點網絡配置如下圖所示。

通訊方式

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

但是，從設備與主設備通信的方式取決于網絡配置的通信模式。可以設置符合HART協議的設備網絡以兩種模式進行通信，即：

請求-響應通信模式

突發模式

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次數據更新），但它有助于保持協議簡單、有效、易于實施。

2.突發模式

為了給應用需求的變化騰出空間，該協議有另一種通信模式，稱為“突發”模式。在這種模式下，從設備可以連續發送一條信息，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。

為了允許大多數工業應用所需的外部監控，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/監控系統，而次要主機通常是手持終端（又名HART通訊器）之類的設備，它僅在短時間內連接到HART回路。

好處

HART協議相對于同類協議的一些優勢包括：

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（發射器到接收器）。通過HART通信，數據可以雙向傳輸。

2.新型信息

像4-20mA這樣的傳統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

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中支持最廣泛的協議。它是如此受歡迎，以至于工業設備兼容HART的概率幾乎為1。

6.互操作性

無論供應商、型號和其他困擾網絡的兼容性/互操作性問題如何，符合HART的設備和主機系統都可以協同工作。即使不是為處理來自HART設備的數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協議多年來隨著技術的進步和用例的日益復雜而不斷發展。其發展的最新產品之一是一項名為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）無線通信協議。與常規HART協議不同，它在此階段僅支持通過數字信號進行的通信，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：

用于增強現有HART設備的WirelessHART適配器

一個自供電的WirelessHART發射器。

WirelessHART可用于現有的有線儀器，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。