某些控制系統供應商自行開發了數字協議與智能設備通信。按照其思維慣例，這些數字協議除了向少數幾個現場設備供應商發放許可證并允許他們使用以外，不向其他廠商開放。這些數字協議包括日本橫河公司的BRAIN協議、霍尼韋爾公司的數字增強(digital enhancement，DE)協議等。自控界的用戶和供應商對這種封閉的數字協議很不滿意，期盼開發一種可以在多個供應商之間通用的開放式數字協議。
1986年，羅斯蒙特公司制定了可尋址遠程傳感器高速通道(highway addressable remote transducer，HART)開放式通信協議。作為從模擬系統向數字系統的過渡性現場總線協議，HART既兼容4-20mA模擬信號儀表的智能化解決方案，又具備現場總線的優越性。HART設備使用的數字協議可提供目前來看相對較低的帶寬和適度響應時間的通信。開放式協議在當時有著革命性貢獻，且性能優良。
從技術角度來看，HART通信協議是將數字信號疊加在4-20mA模擬信號上，并且不影響模擬信號。這在開創新技術的同時又兼容了現有技術，在確保現有系統仍可運行的情況下增添了更加豐富的、用于過程測量和控制的數字信息。
此外，HART通信協議以其開放性受到了儀表供應商和終端用戶的歡迎。經過30多年的發展，HART通信協議已十分成熟。目前，主要的控制系統和資產管理系統均支持HART協議。HART數據可以通過軟件連接器輕松地與其他歷史軟件和企業軟件集成。從十多年前開始，在HART通信基金會(現為現場總線通信集團)的引領下，通過對原有技術不斷創新，從HART5到HART7，發展了WirelessHART、HART-互聯網協議(Internet protocol，IP)、HART-IP over Ethernet-高級物理層(advanced physical layer，APL)等技術。HART設備在全球的安裝數量已超過4000萬臺。HART通信協議已成為全球智能儀表的工業標準。
本文介紹了HART通信協議的特點及有線HART、WirelessHART、HART-IP、HART-IP over Ethernet-APL等通信技術的不斷創新應用。
1、HART通信協議概述及發展歷程
HART作為工業通信協議，符合國際標準化組織(international organization for standardization，ISO)/開放式系統互連(open system interconnect，OSI)七層模型。HART通信協議是較早被列入IEC 61158現場總線通信規范中的標準(Type20)，并于2013年正式成為我國現行國家標準GB/T29910。
從20世紀末期開始廣泛應用的HART5開始，到2001年的HART6，再到2007年推出的HART7，HART通信協議不斷完善，形成了如圖1所示的HART通信協議架構。
有線HART通信協議兼容各種不同的物理層，如4-20mA+頻移鍵控(frequency shift keying，FSK)/相移鍵控(phase shift keying，PSK)、RS485等，并且采用了基于令牌傳輸機制的數據鏈路層，以確保通信的可靠性。WirelessHART基于IEEE 802.15.4的2.4GHz物理層，并采用了針對工業應用特別開發的鏈路層和網絡層，在確保通信可靠性的同時增強了信息安全特性。為了確保用戶體驗的一致性以及HART通信協議一貫堅持的兼容性原則，無論采用哪種物理媒介和網絡鏈路方式，HART通信協議均制定了統一的傳輸層和面向流程工業的應用層規范(即HART命令集)。
20世紀末期推出的HART5，是全球范圍內廣泛采用的HART通信協議。通過FSK的載波方式，兩線4-20mA測控回路中可實現雙向數字通信。通過基于設備描述(device description，DD)的手持操作器產品(例如早期的Rosemount275)，可以實現對現場儀表的參數組態和信息查看。這極大地優化了工程調試和維修檢驗，使得HART5獲得了迅速而廣泛的應用。但因為HART5的局限性，早期的HART數字通信除了在儀表安裝和維護過程中發揮作用，并沒有獲得全面應用，所以控制系統仍以4-20mA模擬信號為主。
21世紀初，Windows等大型計算機操作系統的普及以及流程工藝的不斷復雜化，對現場儀表的智能信息獲取及數字通信提出了更高的要求。HART6的出現正是為了滿足HART通信協議的全時數字通信需求。
相較于HART5，HART6規范在以下方面作了增強。
①新增更高速的兩線物理層PSK載波方式(遺憾的是該技術沒有實現商用)。
②新增數字輸入/輸出(input/output，I/O)系統應用，以及配套的RS485物理層和HART-IP規范。
③增強了現場儀表的智能功能(更多的測量、配置和狀態信息)。
隨著系統集成應用的不斷擴展，以及無線通信需求的出現，HART7規范在2007年推出，并已成為目前的主流。這推動了HART通信協議在數字通信領域的全面應用。
HART7主要在以下方面作了增強。
①新增WirelessHART無線通信技術。
②HART-IP及數字I/O功能的不斷完善。
③HART猝發模式的增強及SafeHART規范。
④現場儀表系統集成應用的進一步增強(儀表狀態信息、主機類型識別及容錯處理、測量值時間戳、NE-107合規)。
HART技術的不斷演進，在兼容已有系統和保護用戶投資的基礎上順應了企業數字化變革，特別是滿足了主流控制系統架構工業物聯網(industry Internet of Things，IIoT)轉型升級的需求。這些主流架構包括NAMUR的開放流程自動化架構(NAMUR open process architecture，NOA)、開放流程自動化論壇(open process architecture forum， OPAF)的開放流程自動化架構(open process architecture， OPA)等。
2、有線HART技術
有線HART通信協議通常指兩線4-20mA測控回路通過FSK載波數字通信的技術，是自HART5以來應用較為廣泛的HART通信協議。
有線HART通信協議采用基于Bell202標準的FSK信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為±0.5mA的頻率數字信號進行雙向數字通信。數字信號的幅度為±0.5mA。數據傳輸率為1200bit/s。疊加在模擬信號上的有線HART數字信號如圖2所示。
圖2中：1200Hz表示為邏輯“1”；2200Hz表示為邏輯“0”。因為FSK信號的平均值為0，不會影響與控制系統間模擬信號的大小，所以保證了與現有模擬系統的兼容性。
有線HART通信協議雖然僅采用了單對線纜，但包含2個信號傳輸通道：過程的主測量和控制信息由4-20mA傳送(對應模擬頻段0-25Hz)；其他測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息等通過HART通信協議中的數字通道傳送(對應FSK通信頻段為0.95-2.5kHz)。
有線HART協議具有以下優點。
①雙向通信。
模擬量信號只能單向傳送信息，如從現場設備傳送到控制室(輸入)，或從控制室傳送到現場設備(輸出)。HART協議可以雙向(輸入、輸出)傳送信息。
②多種類型信息。
模擬量信號只能傳送過程變量，而HART設備可以傳送數十個標準信息項，如設備狀態和診斷報警、過程變量和測量單位、回路電流和百分比范圍、生產商和設備標簽等。可傳送的其他信息還包括主機以數字方式查詢HART設備時回復的設置是否正確、運行是否正常。多種類型的信息有助于在故障導致重大事故前預測過程故障，以免除大多數日常維護工作。
③多變量儀表。
數字通信模式下，1對電纜可以處理多個變量，如1個多參量差壓變送器可以處理差壓、壓力、溫度這3個傳感器的輸入。其在1個報文中能處理4個過程變量。對于任何1臺現場儀表，HART通信協議都支持多達240個過程變量。
④互操作性。
用戶可采購不同供貨商的HART產品。該產品可在同一個系統協同工作，而不會受制于某個特定的供貨商。
⑤兼容性。
兼容模擬信號、數字信號傳送。用戶可選擇相應I/O設備，以接收模擬信號、數字信號或同時接收模擬及數字信號。
大多數用戶使用的HART設備只是將4-20mA模擬信號傳送到上位控制系統，以實現基本的過程控制。對這些用戶而言，HART通信協議的優勢只是使用手持通信器進行HART現場設備的工程安裝/試車、故障排除和校準。使用手持通信器進行HART現場設備的故障排除和校準如圖3所示。
當用戶需要了解HART現場設備的數字信息(如設備狀態和診斷報警、過程變量和測量單位、回路電流和百分比范圍、生產商和設備標簽等)時，要將數字信號傳送到上位控制系統或資產管理系統。
HART設備信息向上位控制系統傳送如圖4所示。
通常采用的HART設備信息的上位控制系統傳遞方式是通過可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)或分布式控制系統(distributed control system，DCS)中具有HART通信協議功能的I/O卡件(見圖4左側)進行傳遞。國外產品包括美國艾默生公司DeltaV的KJ300-X1-BA1輸入模塊、KJ300-X1-BE1輸出模塊，日本橫河公司DCS的AAI14-H輸入模塊、AAI841-H I/O模塊。國內產品包括浙江中控公司ECS100的FW351H 8路HART電流信號輸入卡、FW372H 8路HART電流信號輸出卡等。除此之外，另一種方式是選用多路復用器采集HART設備的數字信號并轉換成所需信號輸出。如：倍加福HiDMux2700H多路復用器可以實現32臺設備的HART信號轉換成RS485信號；還有多家國內外公司可提供HART/Modbus、HART/Profibus-DP、HART/Ethernet等多種類型的多路(如8路、16路、32路等)復用器設備(見圖4右下方)。
到21世紀20年代，HART通信協議的4-20mA設備占全球已安裝儀表的大多數，是近40年來業界頗受信任的通信協議。但遺憾的是，大多數HART設備擁有的眾多數據未能采用圖4所示方式傳送到控制系統。這導致HART設備傳送信息中的部分數字未能得到充分利用。目前，這一狀態正在改變。特別是近年我國很多大型石化項目已經開始逐步使用資產管理系統(asset management system，AMS)。這就是要充分利用已有現場設備的HART通信協議能力，提供用戶關注的診斷、報警等智能信息。
3、WirelessHART技術
2007年9月發布的HART7增加了無線網絡作為可替換常規4-20mA回路的物理層。當使用HART7定義的無線網絡進行數據傳輸時，就是所謂的WirelessHART。WirelessHART是1種針對過程自動化應用的無線網狀網絡通信協議，推出的目的是讓用戶在保持現有設備、工具和系統一致性的基礎上，為HART通信協議增加無線功能。2008年9月19日，WirelessHART通信規范獲得國際電工標準委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)的認可，成為公共、可用的規范(IEC/PAS 62591Ed.1)，并于2013年成為中國國家標準。作為開放式的、可互操作的無線通信標準，WirelessHART用于滿足流程行業對于實時工廠應用中可靠、穩定和安全的無線通信需求。
WirelessHART是HART的無線版本。WirelessHART無線現場設備以無線方式將信息傳輸到WirelessHART網關后，首先使用HART-IP技術將來自WirelessHART無線現場設備中的HART信息組合成IP數據包，并在更高帶寬的以太網上向控制系統和AMS傳輸；然后通過應用程序將IP數據包分解，提供WirelessHART無線現場設備的數據給應用程序使用[5]。這一過程是直接通過IP網絡訪問HART設備中所有HART信息，無需經過任何過程轉換，也不會丟失信息。
WirelessHART系統結構如圖5所示。
WirelessHART已被用于管理來自功能復雜現場設備的數據流，例如控制閥的閥門定位器和用于大型機械設備狀態監測的振動傳感器?？刂崎y的閥門定位器可提供控制閥進行故障診斷與維護的信息，如行程累積、行程方向改變次數、報警次數、死區自調整、閥門基線位置(如閥座的磨損)、最高最低溫度下運行小時數、閥門定位時間、執行機構泄漏、噪聲參數等。振動傳感器可提供旋轉機械設備進行故障診斷與維護的信息，如溫度、轉速、位移、振動速度、振動加速度、振動總量、頻帶能量、整個頻譜和波形等。上述信息通過HART-IP通信，將原始HART值(包括其原始狀態和單位代碼)安全地從HART設備傳輸到控制應用程序和其他客戶端。
從HART到WirelessHART，增加的功能不僅有無線通信，還有支持安全、自發數據傳輸、事件通告、塊模式傳輸和高級診斷等。
4、HART-IP技術
以太網在20世紀80年代成為消費和商業網絡應用的主流。以太網基于IP網絡運行的協議，可通過IP層實現異構網絡的互聯互通。這提高了網絡的可擴展性、分割了頂層網絡應用和底層網絡技術之間的耦合關系，有利于頂層網絡和底層網絡的獨立發展。
HART是1種命令/響應協議，即主機發出命令、設備作出響應。當主機與眾多設備通信時，主機需要知道要向其發出命令的設備名稱或地址。這一尋址方案已在HART協議規范中被定義。
當內置HART-IP的WirelessHART網關向控制系統傳送數據時，由HART定義的尋址方案即不再需要，而是使用為每臺無線設備分配的IP地址。這樣，原來的HART通信協議仍然存在于HART-IP中，但4-20mA模擬信號已被過程變量和控制指令的高速數字傳輸所取代。
HART-IP于2007年作為1種用于WirelessHART網關的高速以太網協議而被引入，以實現從WirelessHART網關收集的HART數據傳輸。另外的應用案例是多路復用器、集中式遠程終端單元(remote terminal unit，RTU)、遠程I/O系統等設備與上位控制系統之間的工業以太網通信。這包括霍尼韋爾、摩爾工業、菲尼克斯電氣、Procomsol、倍加福、施耐德電氣的Triconex集團等公司的產品。
HART設備信息通過HART-IP向上位控制系統傳送如圖6所示。
2012年，HART-IP列入HART規范，成為設備直接與I/O服務器和主機通信的1種方法。
HART-IP由HART-IP服務器和HART-IP客戶端組成，在啟用HART的數據發生器(即現場儀表)和HART數據用戶之間實現基于IP的連接。HART-IP服務器嵌入到設備和基礎設施中，如遠程HART 4-20mA I/O和WirelessHART網關等；HART-IP客戶端并入主機，如PLC、DCS、工廠AMS和邊緣網關等。
5、HART-IP over Ethernet-APL
以太網從企業網絡到工廠網絡，再到控制/現場網絡，不斷向生產現場延伸。事實上，以太網已被用作工業自動化應用的介質，尤其是在計算機、控制器和遠程I/O之間有許多基于以太網的工業通信協議。盡管有線以太網不斷發展并以指數級速度增長，但它在通信距離、供電、防爆和其他方面仍有許多限制，因此不太適合連接工業現場設備。
用于過程自動化的Ethernet-APL技術提供了基于單對以太網的增強物理層。它基于IEEE和IEC標準，提供到現場的雙線以太網連接，主要用于將現場設備(傳感器和執行器)連接到控制網絡。APL電源交換機往上層可通過工業以太網連接控制系統或云應用，往下層可以連接多臺APL現場交換機。其相互間連線稱為APL主干線(Trunk)。主干線可選擇環形冗余連接方式。多臺APL現場設備可分組通過APL支線(Spur)與多臺APL現場交換機的端口連接。
Ethernet-APL技術的系統結構如圖7所示。
如果系統簡單，APL現場交換機也可以通過工業以太網直接連接控制系統或云應用。
帶有Ethernet-APL接口的APL現場設備，可支持Ethernet/IP、HART-IP、過程控制的對象連接與嵌入統一架構(object linking and embedding for process control unified architecture，OPC-UA)、Profinet或其他基于以太網的更高級別自動化協議。其中，運行HART-IP協議的APL現場設備可稱為HART-IP over Ethernet-APL。它可使工業控制網絡扁平化，并使許多更高級別的系統能夠直接訪問現場設備信息，無需任何復雜的數據傳輸方案就可以實現監控和設備故障診斷。
Ethernet-APL技術在防爆區域使用、現場設備供電、信息高速傳輸、長通信距離等方面都能滿足工業現場設備應用的要求。
由于認識到Ethernet-APL將對過程自動化現場設備的未來產生巨大影響，在2020年推出的HART-IP v2擴展了安全性和其他更多功能，以便更好地滿足物理層以上的過程自動化需求。這樣，HART-IP能夠在工廠網絡的現場儀表層中部署，用于控制等應用。
Ethernet-APL是物理層。當與支持IP的HART版本HART-IP相結合時，Ethernet-APL提供了相同的熟悉度、可靠性和易用性，使HART成為過程自動化中的主要應用協議。
無論是控制器、資產管理應用程序還是其他經過認證的主機系統，HART-IP允許它們獨立、安全地訪問并集成測量參數、設備配置和設備診斷信息。多個主機可以同時與現場設備交互。以往，現場數據只能通過控制系統送到管理層或者商業層，導致控制系統成為信息傳輸的瓶頸。而現在，信息不必通過控制系統就可以從設備層直接到達管理層或商業層。
以HART-IP為基礎的Ethernet-APL系統結構如圖8所示。
圖8中，APL現場交換機直接接入上位控制系統。除了新的Ethernet-APL設備直接連接到APL現場交換機以外，WirelessHART網關也可以接入Ethernet-APL現場交換機并由其供電，且HART設備通過APL遠程I/O以HART-IP方式同樣可以接入Ethernet-APL現場交換機。這樣，原來支持有線HART、HART-IP的現場設備現在仍然可用，從而可以保護終端用戶對有線HART、HART-IP相關技術和培訓的投資。
6、結論
HART技術在流程工業中有著30多年的悠久歷史，但在HART通信基金會(現場總線通信集團)的引領下，前進的步伐一直沒有停息。HART通信基金會不斷為HART集成新技術，使之與時俱進。
HART技術作為過程現場設備的事實標準，使現場設備從4-20mA模擬傳輸方式數字化，提升了現有4-20mA過程控制系統的現場數字通信能力。同時，HART技術可以為WirelessHART無線系統提供全數字化應用。作為封裝在IP數據包中的簡單HART-IP，其為多路復用器等設備提供了靈活的I/O解決方案，使HART設備具有與現場總線一樣的減少布線、靈活安裝等優點。HART-IP over Ethernet-APL技術可以采用基于以太網協議的HART-IP選項。它跨越了信息技術(information technology，IT)/運營技術(operation technology，OT)鴻溝，可實現過程自動化系統數據的高速傳輸和高效可用性。
HART技術以協議規范和一致性測試/認證為根基，在全球自動化企業和終端用戶的努力下，從智能儀表、I/O系統，到AMS、DCS/PLC甚至更上一層的企業級IT網絡，構建了全球流程工業領域穩固的、滿足互聯-互通-互操作及先進應用需求的智能現場通信生態體系。HART技術在保護終端用戶已有投資的基礎上，以優質的性價比幫助實現工廠過程控制系統的數字化轉型。
作者：方原柏，王駿
