HART 协议简介及智能化技术

HART 协议简介及智能化技术

杭州哈泰克科技有限公司杭州哈泰克科技有限公司HANGZHOU HARTech CO.,LTD.HANGZHOU HARTech CO.,LTD.

HANGZHOU HARTech CO.,LTD.HANGZHOU HARTech CO.,LTD.

现场总线的发展与展望

现场总线产生的必然性当前控制系统（如 DCS ）存在的问题

决策层只能在最高层，对于下层设备很少授权。在高层设备出故障时，下层设备只能维持现状。

下层设备间的信息交流困难模拟仪表的缺点

一对一结构可靠性差操作员对仪表无法控制互换性差


现场总线的发展与展望

现场总线的优点一对多结构可靠性高操作员对仪表状态可控互换性好具有互操作性综合功能强，实现仪表多用彻底的分散控制统一组态，简单方便开放式系统


传统 DCS 控制层

M

S

S S

L A N

²Ù ×÷ Õ¾

¿Ø ÖÆ Õ¾ PLC

4~20mA plusdigital

proprietary

TraditionalAnalog & Discrete

Instruments Hybrid Instruments or IntelligentInstruments

With Custom Interfaces


现代 FCS 控制层

网桥

控制器

H2

分散控制系统总线

H2

H1

H1 H1

H1

H1—— 低速现场总线•31.25kbps•2 ～ 32 个设备 / 段•供电与通信•本质安全•能利用已有的 4 ～ 20mA信号线•……

H1—— 低速现场总线•31.25kbps•2 ～ 32 个设备 / 段•供电与通信•本质安全•能利用已有的 4 ～ 20mA信号线•……

数字信号取代 4 ～ 20mA 现场的管理与控制的统一一些基本过程控制在现场完成设备非控制信息增加


LAN

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AI 110

PID 110

AO 110

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PID ¿Ø ÖÆ ¹¦ ÄÜ ¿é

FC µ÷ ½Ú ·§

FT

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现场总线的分散控制模块


a) 4 ～ 20mA 传输标准控制室现场

b) 现场总线

现场总线与控制室仪表连线效率对比

控制室仪表

手持编程器

双向数字传输安全栅安全栅

调节器

指示积算

配电配电安全栅安全栅

4 ～ 20 mA

配电配电

4 ～ 20 mA

4 ～ 20 mA


a) 4 ～ 20mA 标准

b) 现场总线标准

仪表内部结构对比仪表内部结构对比

人机接口

控制室仪表变送器

数字双向传输微处理器

通讯接口

通讯接口

微处理器

A/D

放大调理

传感器

人机接口

微处理器

A/D

D/A

I/V

V/I

调节器

4 ～ 20mA

4 ～ 20mA4 ～ 20mA

变送器

V/I D/A

微处理器

A/D

放大调理

传感器


现场总线的发展现况

2000 年 1 月公布的国际标准 IEC61158 囊括了以下八种总线： FF的 H1 、 FF-HSE 、 Profibus 、 INTERBUS 、 P-NET 、 WorldFIP 、ControlNet 、 SwiftNet ，形成多种总线共同竞争的局面。

HART 技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，特别适合于目前企业的技术和设备的改造。未来的技术发展趋势是全数字化的通讯协议，但由于国际上各大集团对利益分割，无法形成一个统一的数字现场总线的标准。而 HART 协议作为目前控制行业事实上的工业标准，在近一段时间将会继续大量使用。

据 HART 基金会统计， 2000 年有 75%的智能仪表仍采用 HART协议。其估计 HART 技术在过程工业仍将继续广泛使用至少 15 ～20 年。在国内模拟仪表仍大量被使用， HART 产品还将具有相当长的生命周期，我们将面临一个巨大的市场。


什么是 HART 协议

HART 协议（ Highway Addressible Remote Transducer ）：是 Rosemount 公司于 1986 年提出的一项标准。

实现 4~20mA 模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。

HART 协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准： 1996 年， HART 协议产品产量为 60万台， Fisher-Rosemount 公司

的 25万台变送器中 HART 协议产品约占 76% 。专家们预计， HART 在国际上的使用寿命为 15~20 年，在国内由于客观条件所限，这个时间会更长一些。

HART不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块踏脚石。


HART 协议简介

HART 协议： Highway Addressable Remote Transducer （可寻址远程传感器数据公路），是由 Rosemount 公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。

HART 通讯协议参照“ ISO/OSI” 的模型标准，简化并引用其中的 1 ， 2 ， 7三层制定而成，即：物理层、数据链路层和应用层。


HART 协议

OSI层次 HART层次第七层应用层 HART命令层第六层表示层第五层会话层未使用第四层传输层第三层网络层第二层数据链路层 HART协议规则第一层物理层 Bell 202 FSK

HART 协议层次


HART 协议物理层

采用了 Bell202 标准的 FSK频移键控技术。

实现了 4~20mA 模拟信号与数字通信的兼容。设备通信距离 1500 m 。


HART 数据链路层

通信方式主从式通信

由主设备来控制数据帧的传送最多允许 15 个从设备连接到一条多点通讯线上

突发模式从设备定时重复发送数据帧

半双工通讯方式寻址范围： 0 ~ 15

当地址为 0 时，处于 4~20mADC 与数字通信兼容状态。当地址为 1~15 时，则处于全数字通信状态。


HART 数据链路层

通讯帧格式 PREM BCNT DELM STATUS ADDR DATA CMD CHK

PREM: Preamble序文 BCNT: Bycount 字节数 DELM: Delimiter起始字符 STATUS: 变送器通讯状态 ADDR: Address地址（源地址和目的地址） DATA: 通讯数据 CMD: Command 命令号 CHK: Checksum 校验和

数据帧长度不固定，最长 25 个字节。


HART 协议应用层

通用命令 (Universal Commend) ：对所有符合 HART 协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：

读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；读出传感器串联数目及其限制；写入轮询地址；读出制造厂及产品型号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读写 8 个字符的标牌号， 16 个字符的描述内容以及日期等；



普通应用命令 (Common-Practice Command) ：适用于大部分符合 HART 协议的产品，但不同公司的 HART

产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调 DA 的零点和增益等。主要包括：

写入阻尼时间常数；写入变送器量程；标定（设置零点和量程）；微调主变量零点；微调 DAC 的零点和增益；完成自检及主机复位；



特殊命令 (Transmitter-Specific Command) ：仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的

产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。主要命令包括：

读出或写入开方小流量截断值；启动、停止或清除累积器；选择主变量（质量流量或密度）；读出或写入组态信息资料；微调传感器的标定；


设备描述语言（ DDL ）

DDL （ Device Description Language) 是使符合 HART 协议的设备真正做到完全兼容的重要保证。

它包括现场设备的 DDL 描述和主设备的 DDL 解释器两部分。任何实现了 DDL解释功能的主设备就可和任何已经提供了 DDL描述的现场设备通讯。

新的现场设备可以无需顾及不同的主设备而独立发布。新的主设备只要在其上开发好 DDL解释器就可发行。


基于 HART 协议的圆卡硬件设计

4 ～ 20mA

LOOP

RTN

HARTMODEM

电

源

模

块AD421

AD7715 CPU

GND

参考电压源传

感

器

模

块

VCC

VCC

ZERO

SPAN

参考电压源 EEPROM

AIN+

AIN-

智能变送模块VCC

A1

A2

GND


基于 HART 协议系列变送器的硬件设计

HART 通讯模块的电路设计 FSK频移键控信号 Bell202 MODEM 带通滤波器输出波形整形电路

DACI NPUT

电流环路

VSS

VDD

IRXA

vcc

MODEM

BANDPASS

WAVESHAPE

OCDINRTSORXDITXD

OTXA

LOOP( +)

{CPU



低功耗技术 HART 数字通讯的要求智能变送模块的功耗 1.5mA

低功耗芯片： A/D 、 D/A 、 EEPROM和MODEM总的工作电流限制在 1.0mA

高效、低功耗的 CPU 低频下间断性工作

传感器模块的功耗



抗干扰技术电磁滤波 WDT 电源监控软件自诊断

PFIRESET

WDI

WDO

RESET

I / O1

I / O2

VCCVCC

GNDGND

CPUWDT

VCC



本质安全技术减少储能元件双重冗余齐纳管符合本质安全 iaⅡCT1~6 标准

R1

T1

T2

C1

R3

C2

C3

R2

T3

R4

R4

BANDGAPREFERENCE

SWI TCHEDCURRENTSOURCES

Vcc

Vcc

LOOP ( - )

LOOP ( +)

DAA1

A2


基于 HART 协议系列变送器的软件设计

软件模块划分 AD采样控制模块 AD-DA转换模块 HART链路层模块 HART命令层模块键处理模块

AD £ D A×ª »»Ä£¿é

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ADÊäÈëÄ£¿é

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Ð́E E P R O M

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软件总体模块关系图

AD² ÉÑù¿ØÖÆÄ£¿é

ÊýÑ§ÔËËãÄ£¿é


AD-DA转换模块查询后台 AD定时采样信号数字调理

粗大滤波多点平均温度补偿线性补偿




标准转换算法一阶滤波量程转换DA 输出值转换、限幅DA 输出值微调DA 输出


HART命令层的实现读出制造厂、产品型号、产品序列号；读出主变量及单位；读出电流的输出

及百分比输出；读出或写入 8 个字符的仪表位号， 16 个字符的仪表描述以及

日期；读出或写入 32 个字符仪表信息；读出和写入变送器的量程、单位以及

阻尼时间；读出或写入写入轮询地址；读出和写入变送类型（开方 /线性）；

标定（设置零点和量程）；完成自检；完成主设备复位；微调主变量零点；

微调 DAC 的零点和增益；

线性标定；温度标定；读出或写入开方小信号切除值；启动、停止或清除累

积器；选择主变量（质量流量或密度）；读出或写入组态信息资料；微调传

感器的标定；



基于 HART 协议的压力差压变送器的设计

工作原理差动电容式敏感元件将差压信号转

换成相应的电压传感器耗电 0.8mA

A/ D转换振荡器和解调器

压力压力

正压侧电容极板

负压侧电容极板

中心感压膜片

膜室



传感器部分低功耗设计模拟仪表 12V 供电， 4mA 智能仪表 5V 供电， 0.8mA 低功耗的运算放大器温度补偿电路



非线性补偿压力变送器传感器有很大

的非线性传感器特性曲线相似，一致性较好，可以通过数学模型的方式进行补偿；

按照国外同类产品的要求，必须通过 0%、 60%、 100%、 -60%、 -100%五点进行非线性补偿 - 150 - 120 - 90 - 60 - 30 0 30 60 90 120

150 X ( i nH2O)

Y( V)

2. 5

2. 0

1. 5

0. 5

0. 0

1. 0

0. 25

0. 75

1. 25

1. 75

2. 25

正区特性曲线

负区特性曲线



特征曲线的获取测试 20 个传感器，获得一批实验数据；对上述 20 组数据，分别求各组的最佳一致逼近

多项式：y(x)=a3x3+a2x2+a1x+a0式中： y为实际压力， x为传感器输出

在上述 20 组多项式中，找出变化范围最小的一个系数，然后给定该系数；试验中 a3 的变化范围： [-0.0373145 ， -0.0239532] ，取平均数



由特征化给出三个点（量程的 0% ， 60% 和 100% ），即（ x1,y1) 、 (x2,y2) 、 (x3,y3) ，根据这三个点决定的近似最佳一致逼近算式，计算误差 (-1) (i-1)R=y(xi)yi ， (i=1,2,3) ：

在 |R| 取最小值时得出 a0,a1,a2值；试验得出 |R|=0.0001

3)3(2)2(

1)1(

yxyRyxyR

yxyR



由以上方程组可知，给定 a3 和 R后便可求得 a0,a1,a2 。

近似的最佳一致逼近算法的特点数学模型简单精度较高，可以达到万分之二运算速度快

Ryaxxxx

yxyxaxxa

xxxx

yxyxaxxa

00)21(21

2211223211

)21(21

21123)21(2



数字滤波 4 个数据的滑动平均滤波法

当量程比小于 4 ： 1 时，滑动平均滤波程序当量程比大于 4 ： 1 时，将 4 个数据的和直接参

与运算，相当于把采样值和量程扩大 4倍，增加了量程转换的最后结果的有效位数，从而提高了量程转换的精度。

提高了量程转换的精度，跳码幅度减少了一半以上



特殊命令的实现特征化命令变送器类型和测量范围的选择

0-1.49KPa 、 7.46 KPa 、 37.29 KPa 、 186.45 KPa 、 689.5 KPa 、 2.068 MPa 、 6.895 MPa 、 20.68 MPa 、 41.37 MPa



性能基本误差 0.1% 写保护零点迁移

最大负迁移：工作量程的 1100%最大正迁移：工作量程的 1000%



应用完全与国外产品兼容实现高低报警电流选择与模拟仪表相比使用更方便、性能更佳

不必使用电位器进行零位、满量程的设置基本误差达到 0.1级可远程进行维护和调校


基于 HART 协议的应变式浮筒液位变送器的设计

工作原理液位的变化使部分浸沉在液体中

的浮筒所受浮力产生相应的变化浮力的变化经过杠杆放大后由应变电桥转变为毫伏信号

电压信号由 AD7715采样

浮

筒

应变电桥



传感器应变电阻的灵敏度： 1.5mV/V与供电电压

成正比采用应变电阻组成的电桥

放大了传感器信号实现了一定的非线性补偿实现了一定的温度漂移补偿传感器经软件补偿后非线性度达 0.05%



低电压和大负载电阻设计最低工作电压 9V 在 24V 供电时，可以驱动 750Ω

的负载电阻输出 20mA



低电压和大负载电阻设计分层供电减小上层电压采用 3V 的 AD 采用低起始电压

的恒流源降低应变电桥的耗电

VCC

DRI VE

COMP

BOOST

LOOP RTNCOM

AD421

恒流管

CPUMODEM

AD7715

3VV1

7. 5V

6V

COM

LOOP( +)

LOOP( - )



低电压和大负载电阻设计解决了由于减低了应变电桥的供电电流，带

来的输出差动电压信号减小引起的精度损耗将 AD7715 的输入信号放大倍数设置为 128倍采用数字滤波技术对一组八个采样数据去掉最大值和最小值再进行

数字平均，处理后数字跳码率减少了一半以上



本质安全技术针对分层方案的本质安全技术双重冗余齐纳管保护

对 T1 的发射极和 T2 的栅极与 COM LOOP （ - ）与 COM 上层与 3V 下层与 COM

VCC

DRI VE

COMP

BOOST

LOOP RTNCOM

AD421

恒流管

CPUMODEM

AD7715

3VV1

8V

6V

COM

LOOP( +)

LOOP( - )



与模拟的浮筒液位变送器比较输出信号本安等级

工作电压

基本误差

报警电流

选择单位

HART

浮筒液位变送器

HART iaIICT1~69V~35

V

液面0.2%界面0.5%

22mA

mm、cm、m、

in、ft

模拟浮筒液位变送器

4~20mA ibIICT1~612V~3

5V

液面0.5%~1

%界面

1%~1.5%

无无



与模拟的浮筒液位变送器比较

校调方式信号滤波

阻尼非线性补偿

零位、满量程设置

自诊断

HART

智能变送器

远程通讯校调或现场校调

数字滤波

数字阻尼0~16s

软件补偿

上位主设备设置按键设置

有

模拟变送器

现场校调无无无电位器无


基于 HART 协议的温度变送器的设计

工作原理热电偶热电阻

CC4052

智能

变送

模块

恒流源

1I0O0

2I0O0

1I1O1

2I1O

1I2O2

2I2O2

1O/I

2O/I

A

B

A1

A2

AIN+

AIN-

LOOP

RTN

4~20mA

GND

导线

导线导线

GND

1I3O3

2I3O3



数据压缩技术分段最佳一致逼近

mi

TiViT

1

min)(max

K型热电偶在 -40℃~290℃范围内，可用下式表示T=0.1076+25.3239V-0.5089V2+0.0914V3-0.0059V4+0.0001V5

最大误差为： 0.11℃


特殊命令的实现任意选择变送器类型

万能输入热电阻 Pt100 Cu50

热电偶 S 、 B 、 T 、 K 、 E 、 J

选择冷端补偿



基于 HART 协议的温度变送器的设计 - 温度变送器和其它温度变送器比较

通讯协议本质安全

基本精度（最高）

可测信号类型

就地调零位、量程

供电

smarTT301

HART 符合 0.02%热电阻热电偶毫伏信号

磁性工具12-45V

SCT01 HART 符合 0.03%热电阻热电偶毫伏信号

按键11-45V

阻尼范围工作温度

接通时间 PID 报警电流

smarTT301

0~32s-40 ℃~75℃

10s 有 3.9~21mA

SCT01 0~16s-40 ℃~85℃

2s 无 3.8~22mA


谢谢各位！

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