HART

一、HART 技术介绍

HART（Highway Addressable Remote Transducer），即可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。它是在模拟信号传输线上实现数字信号通信的协议，允许在传统的 4 - 20mA 模拟信号上叠加数字信号，从而使模拟系统能够逐步向数字系统过渡，既保留了模拟系统的简单性，又具备了数字通信的诸多优势。

二、发展历史

1. 起源
   • 20 世纪 80 年代，随着工业自动化的发展，传统的模拟仪表在数据传输和功能扩展方面逐渐暴露出局限性。为了在不改变现有模拟信号基础设施的前提下实现数字通信，Rosemount 公司（现为艾默生过程管理公司）开发了 HART 协议。
2. 标准化
   • 1993 年，HART 通信基金会（HCF）成立，致力于推广和维护 HART 协议标准。该基金会制定了一系列规范，确保不同厂家生产的 HART 设备之间的互操作性，促进了 HART 技术在全球范围内的广泛应用。
3. 持续发展
   • 随着技术的不断进步，HART 协议也在不断更新和完善。从最初的基本功能到后来增加的设备诊断、资产管理等高级功能，HART 协议始终适应工业现场的需求变化。

三、技术原理

（一）通信方式

HART 采用频移键控（FSK）技术，在 4 - 20mA 模拟信号上叠加一个频率信号来实现数字通信。具体来说，它使用两个不同的频率（1200Hz 代表逻辑“1”，2200Hz 代表逻辑“0”）来传输数字信息，这种方式不会影响模拟信号的正常传输，使得系统可以同时传输模拟和数字数据。

（二）通信模型

HART 协议采用主从式通信模型，包括主设备和从设备。主设备通常是控制室中的控制系统或手持终端，从设备是现场的智能仪表，如压力变送器、温度传感器等。主设备可以发起通信，向从设备发送命令并接收响应；从设备则根据主设备的命令进行相应的操作和数据传输。

（三）帧结构

HART 通信的基本单位是帧，一个典型的 HART 帧包括前导码、同步码、地址字节、命令字节、数据字节、校验字节等部分。前导码用于使接收方同步，同步码标识帧的开始，地址字节指定通信的设备地址，命令字节表示主设备发送的具体命令，数据字节包含实际要传输的数据，校验字节用于检测传输过程中的错误。

四、应用场景

（一）工业自动化过程控制

1. 数据采集与监测
   • 在化工、石油、电力等行业的生产过程中，大量的传感器（如温度、压力、流量等传感器）采用 HART 协议进行通信。通过 HART 通信，控制室可以实时获取现场传感器的精确测量数据，以便对生产过程进行监测和控制。例如，在石油炼化过程中，利用 HART 协议的温度传感器可以准确测量反应釜内的温度，操作人员根据这些数据调整加热或冷却系统，确保生产过程的稳定性和安全性。
2. 设备诊断与维护
   • HART 设备具有自诊断功能，能够检测自身的工作状态并将诊断信息通过数字通信传输到控制室。维护人员可以根据这些信息及时发现设备的潜在故障，进行预防性维护，减少设备停机时间。例如，当压力变送器检测到自身的测量精度下降或内部电路出现异常时，会通过 HART 协议将故障信息发送给控制系统，提醒维护人员进行检修。

（二）楼宇自动化

1. 暖通空调系统
   • 在大型商业建筑的暖通空调系统中，HART 协议可用于连接各种传感器和执行器。温度传感器、湿度传感器等通过 HART 通信将环境参数传输到中央控制系统，控制系统根据这些数据调节空调机组的运行，实现节能和舒适的室内环境控制。同时，执行器（如电动调节阀）也可以通过 HART 协议接收控制命令，精确调节空气流量和水温。
2. 照明控制系统
   • HART 协议可以应用于智能照明系统，实现对照明设备的远程控制和管理。通过安装 HART 接口的照明传感器，可以检测环境光照强度，并将数据传输到控制系统。控制系统根据光照情况自动调节照明亮度，达到节能的目的。此外，还可以通过 HART 通信对灯具的工作状态进行监测和诊断，及时发现灯具故障并进行更换。

（三）水处理行业

1. 水质监测
   • 在污水处理厂和自来水厂，HART 协议的传感器广泛用于水质监测。如 pH 传感器、溶解氧传感器、浊度传感器等，能够实时测量水质参数，并将数据传输到监控中心。操作人员可以根据这些数据调整水处理工艺，确保水质符合标准。
2. 加药控制
   • 加药系统中的计量泵等设备可以采用 HART 协议进行通信。控制系统根据水质监测数据，通过 HART 通信精确控制计量泵的加药量，实现高效的水处理过程。例如，在污水处理中，根据污水的化学需氧量（COD）等参数，准确控制絮凝剂的添加量，提高污水处理效果。