發布日期：2022-07-14 點擊率：30
1. HART通信基金會
1.1 使命與價值觀
HART通信基金會是一個國際性的、非盈利的會員制組織，它支持和促進HART通信協議標準和技術的廣泛使用。
1.1.1基金會的使命
通過提供一流的通信技術、標準、規范、工具、技術專長和應用支持服務，以補充、扶持和支持先進的功能，并提高現代自動化系統的智能，從而服務全球過程自動化行業和我們的會員。
我們的技術、服務和方案為開放、穩定的環境提供基礎設施，以便造福會員和行業用戶，保護用戶的投資，促進互用性，并確保符合HART通信的要求。
1.1.2 基金會的價值觀
作為一個組織機構，我們珍視：
● 我們的會員;
● 我們的技術;
● 我們對行業的責任;
● 我們對團隊精神的承諾;
● 我們對安全、可靠性與環境的承諾。
我們提供用戶友好、可靠和安全的通信技術，幫助全球過程自動化行業降低成本，提高生產率和降低風險。
1.2 基金會的管理
1.2.1日常管理和支持
基金會的日常管理工作由總裁兼首席執行官指揮，由在得克薩斯州奧斯汀的行政人員、和在歐洲、中國、日本的運營經理執行。
基金會的管理遵從下面成員指導：
● 會員公司;
● 董事會;
● 執行委員會;
● 官員-- 總裁、秘書和財務。
1.2.2標準管理和技術開發
基金會最顯著的屬性之一是我們的人員和項目能支持HART協議的全球應用。我們有資深工程師和技術人員工作在我們的奧斯汀和地區辦事處，為成員和最終用戶奔波在世界各地，傳播技術，提供專業和應用支持服務。
HART通訊標準是細化而穩定的，但必須支持流程工業的需求而發展新功能和改進，同時保持向后兼容和互操作的基本原則。由技術工作組調研、提出和開發技術的改進，然后通過基金會的成員和董事會投票表決批準。
1.3基金會組織結構
HART通信基金會的組織結構包括：
● 會員公司;
● 董事會;
● 執行委員會;
● 官員-- 總裁，秘書和財務;
● 工作人員;
● 技術委員會。
基金會的年度成員代表大會在每年的6月在世界選定的位置召開。董事會任期兩年，由會員投票選出。在任何年可選舉或重新選舉一半的董事會成員。
2. HART通信協議
2.1 HART概述
目前在世界各地所安裝的大多數智能現場設備均具有HART功能。但是，初次接觸自動化領域的一些朋友可能需要了解這項技術。
簡而言之，HART(高速可尋址遠程傳感器)協議是智能設備與控制或監測系統之間在模擬線纜上發送和接收數字信息的全球標準。
更具體地說，HART是一個雙向通信協議，提供了智能現場儀表與主機系統之間的數據訪問。主機可以是任何軟件應用程序，從技術人員的手持設備或筆記本電腦，到工廠中使用任何控制平臺的過程控制、資產管理、安全或其他系統。
2.1.1 為現有工廠提供數字化升級
HART技術為下述這些工廠的運營者提供了一種可靠的、長遠的解決方案，可以發揮智能設備數字通信功能的優勢-- 該功能在大多數安裝設備中都已存在。由于目前運行的大多數自動化網絡，均基于傳統的4 - 20mA模擬線路，所以HART技術便可以發揮重要的作用，因為數字信息可與4 - 20mA信號同步通信。
2.1.2數字化的作用
使用智能設備的在線調試、校準和診斷功能時，HART技術充分發揮了其功效。
有幾個原因使用戶需要使智能設備與主機通信。包括：
● 設備的配置或重新配置;
● 設備診斷;
● 設備故障排除;
● 讀取設備所提供的額外測量值;
● 設備狀況和狀態;
● 其它原因：使用HART技術擁有諸多好處，而且不斷有更多的用戶在他們的項目中報告其所帶來的好處。
這些優勢和成功經驗解釋了為什么HART能成為通信協議中是使用最多的協議之一，并安裝在世界各地的3千多萬臺設備之中。
如果你曾經使用座機電話，通過來電顯示知曉打電話的人，你已經知道HART協議所做的一半工作了，即它告訴“誰”在打電話。在工業自動化網絡中，這個“誰”便是基于微處理器的智能現場設備。除了讓這種智能現場設備“給家打電話”之外，HART通信還讓主機系統向智能儀表發送數據。
HART出現于80年代后期，基于模擬電話通信提供來電顯示的同樣技術。它經歷了持續的發展，目前內置無線HART通信的自動化產品也已經上市。
2.2 HART是如何工作的
“HART”是高速可尋址遠程傳感器的縮寫。HART協議利用貝爾202頻移鍵控(FSK)標準，將低電平的數字通信信號疊加在4 - 20mA之上。
圖1. 頻移鍵控(FSK)
這項技術實現了雙向現場通信，使智能現場儀表除了過程變量還能傳輸更多的信息。HART協議以1200 bps的速率通信，且不影響4 - 20mA信號，允許一個主機應用程序(主設備)，從智能現場設備每秒獲取兩次或兩次以上的數字更新。由于數字FSK信號是相位連續的，因而不會對4 - 20mA信號造成干擾。
HART技術是個主/從協議，這意味著，只有當主設備發出信號時，智能現場(從)設備才會發送信號。HART協議可在多種模式下使用，如點到點或者多點模式，在智能現場儀表和中央控制或監測系統之間傳輸信息。
HART通信發生在兩個具有HART功能的設備之間，通常是智能現場設備和控制或監測系統之間。通信使用標準的儀器級電纜，并且使用標準的接線和終端處理方式。
HART協議提供兩個同步通信通道：4 - 20mA模擬信號和一個數字信號。4 - 20mA信號利用4 - 20mA的電流回路-- 它是最快和最可靠的工業標準，來傳輸測量值(在現場儀表的情況下)。另外，HART利用疊加在模擬信號之上的數字信號，來傳輸其它的設備信息。
數字信號中包含了來自設備的信息，包括設備狀態、診斷、額外的測量或計算值等。這兩個通信通道結合起來，提供了一種易于使用和配置的低成本、高可靠、完整的現場通信解決方案。
圖2. 兩個通信通道
HART協議最多可有兩個主設備(第一主設備和第二主設備)。這可以利用第二主設備，例如手持通信器，而不會對第一主設備，如控制/監測系統的通信造成干擾。
圖3. 第一主站和第二主主站
HART協議允許與現場設備之間的數字通信采用點到點或多點模式配置。
圖4. 點到點的配置
2.2.1 多點模式的配置
還有一個可選的“猝發”通信模式，其中單個從設備可連續廣播標準的HART回復信息。這一可選的“猝發”通信模式有可能采用更高的更新速率，使用通常只限于點到點的配置。
圖5. 多點配置
2.3 HART協議的優點
在模擬信號環境中工作的自動化工程師經常會說，“要是我不去現場，就能獲得設備信息的話…”或者“要是我能將那個壓力變送器的這項配置信息存入我的電腦的話…”。有了HART，他們就不再需要說出“要是”這樣的話了。世界各地的用戶已經認識到HART通信的優勢，當使用HART功能的手持設備和便攜式電腦測試、校準和診斷設備時，他們在現場就能便捷地獲取設備的信息。事實上，設備的測試、診斷和配置從未變得如此的簡單!
然而，許多人尚未認識到HART技術的最大優勢，這些優勢來自與實時的資產管理和/或控制系統的全天候連接。
2.3.1 HART技術可以幫助用戶
● 利用整套智能設備數據的能力，來提升運營能力。對設備、產品或工藝性能出現變化進行早期預警;
● 縮短發現到解決問題的時間;
● 不斷驗證回路和控制/自動化系統策略的完整性;
● 提高資產效率和系統可用性。
2.3.2 提高工廠的可用性
● 將設備和系統集成起來，可檢測先前檢測不到的問題;
● 實時檢測設備和/或過程的連接問題;
● 通過獲取新的早期預警，減少偏差造成的影響;
● 避免非計劃停機或過程中斷造成的高成本。
2.3.3 降低維護成本
● 快速確定和驗證控制回路和設備配置;
● 使用遠程診斷，可減少不必要的現場檢查;
● 捕獲性能趨勢數據，進行預測性維護;
● 減少備件庫存和設備管理成本。
2.3.4 改善監管合規
● 對合規數據進行自動記錄;
● 幫助進行自動安全關機測試;
● 利用先進的診斷，提高安全完整性等級(SIL);
● 利用多變量智能化設備，獲取更深入、準確的報告。
2.3.5 HART技術的標準功能與現有4 - 20mA模擬網絡的兼容，具有廣泛的產品選擇
● 與標準4 - 20mA布線相兼容;
● 與數字數據的同步傳輸;
● 通過直觀的菜單界面，幫助用戶進行操作;
● 通過精確和穩定的協議減少了風險，易于實現成本收益的最大化;
● 廣泛的產品選擇，有許多供應商提供的兼容設備和應用軟件;
● 平臺獨立，在多供應商環境中提供完全的互操作性。
2.3.6 來自一流供應商的全球性支持
在業界的解決方案中，幾乎所有全球一流的過程檢測和控制系統供應商都積極支持HART技術。目前，由300余家HART通信基金會會員所制造的產品涵蓋了24多種設備種類，包括1300多個通過基金會注冊的設備。
2.4 HART規范
HART協議于80年代后期開發，并于90年代初移交給HART基金會。從那時起，它已經更新了好幾次。每一次的協議更新都確保與以前的版本兼容。HART協議當前的版本是7.3版。“7”表示主修訂號碼，而“3”表示次修訂號碼。
HART協議實現了開放系統互連(OSI)7層協議模型的第1、2、3、4和7層。
2.4.1 HART協議物理層
以貝爾202標準為基礎，采用頻移鍵控(FSK)，1200bps的速率通信。代表0和1位值的信號頻率分別為2200和1200Hz。該低電平信號疊加在4到20mA的模擬測量信號之上，而不會對模擬信號造成任何干擾。
2.4.2數據鏈路層
定義了一項主從協議 - 在正常使用下，現場設備只在收到信號時才作回答。可以有兩個主設備，例如，控制系統作為第一主設備，而手持HART通信器作為第二主設備。時序規則定義每個主設備可以開始通信事務的時間。單個多點線纜對可以連接多達15個或更多的從設備。
2.4.3 網絡層
提供路由、端到端安全及傳輸服務。它管理與通信設備之間端到端通信的“會話”。
2.4.4傳輸層
數據鏈路層確保通信成功地從一個設備到另一個設備傳播。傳輸層可以被用來確保端到端通信的成功。
2.4.5 應用層
定義了協議所支持的命令、響應、數據類型和狀態報告。在應用層，協議的公共命令分為四大類：
● 通用命令 - 提供在所有現場設備都必須實現的功能
● 常用命令 - 提供很多設備所共有的功能，但并不是所有的現場設備都具有的功能
● 設備特定命令 - 提供某特定現場設備所特有的功能，由設備制造商所指定
● 設備系列命令 - 為特定測量類型的儀器提供一套標準化的功能，允許無需使用設備特定指令便能進行完全的通用性訪問。
通信協議的應用
3.1阿普爾頓紙業利用HART加強資產管理
3.1.1項目目標
● 以最低的成本升級和擴展現有系統;
● 提高儀表配置和預防維護能力;
● 增強故障排除能力。
3.1.2解決方案
● 安裝100多個HART流量計、控制閥和壓力傳感器;
● 通過PLC和支持HART的輸入/輸出系統實現HART通信。
3.1.3 成果
● 僅在布線方面就節省了約40000美元;
● 通過遠程配置設備節省了時間和資金;
● 由于所需的壓力和溫度變送器減少，因此又節省了10000美元。
造紙商阿普爾頓在對紙張涂層業務進行重大升級時使用HART技術來加強資產管理。該公司在其位于威斯康星州阿普爾頓的工廠安裝了100多個支持HART的流量計、控制閥和壓力傳感器，取得了積極成效。
阿普爾頓控制系統技師克里斯μ范μ薩姆畢克表示：“HART為我們提供了絕佳的機會來以最低的成本擴展現有控制系統。”
該造紙商的目標是：最大限度地降低硬件、軟件、培訓、備件成本;找到一種簡單而強大的系統來告知員工設備的健康狀況;將該系統應用于其它領域;建立一個配置、跟蹤、故障排除數據庫;獲得所有儀表/設備數據。
阿普爾頓通過羅克韋爾自動化(Rockwell Automation)的ControlLogix可編程邏輯控制器(PLC)和支持HART的輸入/輸出系統實現HART通信，將智能儀表與艾默生過程管理(Emerson Process Management)的AMS套件相連。憑借HART技術所提供的更強的故障排除能力，阿普爾頓提高了其儀表配置和預防維護能力。
薩姆畢克表示：“HART能夠從我們的質量流量計中獲取多變量信息，僅在布線方面就為我們節省了約40000美元。”阿普爾頓還通過遠程配置設備節省了時間和資金。HART技術目前所需的壓力和溫度變送器數量分別減少了12個，因此又為公司節省了10000美元。
薩姆畢克稱，HART還改善了其它領域的操作，包括“更好的診斷;控制回路驗證(通過HART信號將信息導入PLC);更高的工廠可用率;更好的產品質量和功用;更高的產品收率;更低的運營維護成本;以及更強的合規性。”
找到一種可用于PLC系統的新型HART智能卡也令阿普爾頓獲益良多。這種由Spectrum Controls供應的卡使該公司能夠以最少的設備和成本升級現有系統。薩姆畢克表示：“我們的大多數現有儀表都支持HART，所用的HART卡與我們現有的控制系統相兼容。”
通過在PLC控制平臺中安裝某OEM的HART卡，阿普爾頓能夠同時在AMS和控制系統中使用HART數據。“HART提供了很多常規模擬系統無法獲得的信息，”薩姆畢克補充道。
“HART非常有效，”薩姆畢克說。“我們之所以成功，是因為HART協議比其它現場總線技術更適合用于擴展。”
3.2贏創利用 HART通信降低回路檢查成本
3.2.1 項目目標
● 制定更有效的回路檢查方法;
● 減少儀表維護和管理所需的時間和人力。
3.2.2 解決方案
● 2000多個HART儀表與中央控制室相連;
● 遠程HART連接同時將數據傳輸至集成式資產管理和安全儀表系統。
3.2.3 成果
● 每天從控制室進行儀表故障排除;
● 遠程控制室訪問使回路檢查時間和成本減少了25%;
● 即時訪問資產數據提供了更有效的方法來達到IEC 62382電力和儀表回路檢查標準。
位于中國上海的贏創德固賽特種化學有限公司證明了實時HART技術從現場接入控制室的能力。按需數據通過在線監控、診斷和存檔加強了配置和校準管理。
贏創德固賽特種化學有限公司在中國擁有近20家分公司，致力于抓住亞洲尤其是中國甲基丙烯酸酯和下游產品快速增長的機會。該公司上海工廠的工程師們決定使用HART技術將現場儀表與分布式控制系統(DCS)以及資產管理和安全系統相連。
位于上海化學工業區的甲基丙烯酸酯工廠于2008年投入運營。資產管理系統在運營之初便開始使用，甚至在啟動前的試運行期間被用于回路檢查。
贏創工程自動化和過程管理部門儀表項目經理盧克μ斯特克稱，公司圍繞關于資產管理系統中HART應用的技術報告舉行了集體討論會，最終決定采用HART通信。
通過將遠程回路檢查與傳統的現場手持式設備檢查進行比較，斯特克補充說：“由于采用了HART通信，回路檢查時間和成本減少了25%。”事實上，斯特克表示：“儀表的日常故障排除現在主要通過控制室進行，既安全又方便。”
自動化平臺與現場相連，借助HART協議，用戶可以通過中央數據庫上傳和下載現場設備配置，簡化了數據可見性和控制。憑借HART技術，智能設備管理器軟件使工程師能夠持續監控運營情況以及閥門和儀表的健康狀況。
基于HART的連接從分布式控制系統(DCS)擴展至資產管理和安全系統(集成式DCS平臺的一部分)。
目前在工廠內，2000多個儀表采用HART通信與中央DCS和資產管理軟件(用于監控所有現場儀表的使用情況)相連，以此來傳輸數據。此外，該平臺集成式安全儀表系統(SIS)的邏輯運算器使用HART技術與傳感器相連，以進行回路檢查和安全儀表聯鎖驗證。
這種連接的一個重要方面在于一些SIS邏輯運算器被用于復雜的在線易燃性計算(SIL3)，以確保反應堆在產品易燃性極限內安全運行。對于與安全相關的儀表，供應商校準認證、詳細的校準測試計劃、校準時間間隔以及安全和清除說明可通過資產管理數據庫獲取。
使用這些數據可幫助工程師防止試運行階段常見的瓶頸。這就提供了更有效的方法來達到IEC 62382國際電力和儀表回路檢查標準。
當設備表現欠佳或即將發生故障時，HART技術能幫助用戶意識到問題所在，為與安全相關的應用帶來了長期優勢。基于實際設備性能的預見性維護提升了安全性并延長了工廠正常運行時間。現場設備本身的智能設計有助于確保在對安全或生產力構成威脅之前找出潛在問題。
該工廠的預見性維護項目將使維護團隊花費的時間縮短。斯特克表示：“我們堅信，我們的工廠對所有HART儀表進行預見性設備診斷將為關鍵人員帶來全面的相關運行信息，通過預測意料之外的故障和避免因此引起的停工，提高工廠可用性。”
采用HART技術和智能現場設備進行連續按需診斷使工廠節省了趕赴現場的成本，并且簡化了數據檢索，例如自動保存儀表測試報告和其它所有維護信息。
工廠的工程師們很早便決定從項目之初開始使用HART技術，因此，進行這類長期系統監控能夠起到作用。自動將儀表參數上傳至控制室應用對工廠運營很有幫助。
“資產連接”在建設期間很有幫助，因為它能自動識別現場設備斷電并發出報警。控制閥上有瑕疵的定位器可輕松替換，只需將故障設備的配置轉移即可。用于自動準確建立儀表數據庫的HART通信有助于試運行以及持續監控和維護。舉例來說，該系統可以監控和匯報手持式通信器完成的任何未經授權的參數調整。
與資產管理系統相連的HART通信利用儀表預警系統為贏創提供了幫助。例如：供氣失敗的閥門;以及因被隔離而使外殼內溫度上升的變送器。所面臨的挑戰是要學會解讀預警信息以及做出明智的更換或修理決定。因此，建立一個完善的報警管理系統并非易事。
HART技術在工廠工程師和維護人員中得到越來越多的認可，他們意識到了這種先進的現場設備功能在控制室應用遠程連接中的價值。
斯特克表示：“利用通過HART協議提供的診斷數據使我們能夠預測波紋管密封閥門的使用壽命，我們可以使用預警進行主動維護。若沒有HART提供的綜合功能，我們將需要花費更多的人力和時間來維持工廠運營。”
通過實時使用HART技術實現的收益包括：
● 從控制室輕松配置現場儀表;
● 輕松進行儀表校準管理;
● 對設備進行在線診斷和狀態監控;
● 自動將校準和配置數據存入資產管理數據庫;
● 減少維護所需的人手;以及
● 輕松檢查/調整設備參數，更好地進行控制回路調整。
斯特克表示：“為了充分利用來自HART設備的診斷數據，我們意識到我們必須重新思考、精簡和調整維護工作流程，令其變得更高效、更經濟。我們依然在不斷學習和執行有關如何充分發揮HART通信能力的新思路。”
贏創德固賽特種化學有限公司因杰出的成就、獨創性和創新而榮獲HART創新成就獎，該公司在實時應用中借助HART通信改善運營和維護，并且從智能儀表和自動化系統投資中實現更大的效益。在上圖中，贏創自動化和過程管理團隊在中國上海的甲基丙烯酸酯工廠接受頒獎。
（羅克韋爾自動化（中國）有限公司 華镕）
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