1. HART通信基金会
1.1 使命与价值观
HART通信基金会是一个国际性的、非盈利的会员制组织，它支持和促进HART通信协议标准和技术的广泛使用。
1.1.1基金会的使命
通过提供一流的通信技术、标准、规范、工具、技术专长和应用支持服务，以补充、扶持和支持先进的功能，并提高现代自动化系统的智能，从而服务全球过程自动化行业和我们的会员。
我们的技术、服务和方案为开放、稳定的环境提供基础设施，以便造福会员和行业用户，保护用户的投资，促进互用性，并确保符合HART通信的要求。
1.1.2 基金会的价值观
作为一个组织机构，我们珍视：
● 我们的会员;
● 我们的技术;
● 我们对行业的责任;
● 我们对团队精神的承诺;
● 我们对安全、可靠性与环境的承诺。
我们提供用户友好、可靠和安全的通信技术，帮助全球过程自动化行业降低成本，提高生产率和降低风险。
1.2 基金会的管理
1.2.1日常管理和支持
基金会的日常管理工作由总裁兼首席执行官指挥，由在得克萨斯州奥斯汀的行政人员、和在欧洲、中国、日本的运营经理执行。
基金会的管理遵从下面成员指导：
● 会员公司;
● 董事会;
● 执行委员会;
● 官员-- 总裁、秘书和财务。
1.2.2标准管理和技术开发
基金会最显著的属性之一是我们的人员和项目能支持HART协议的全球应用。我们有资深工程师和技术人员工作在我们的奥斯汀和地区办事处，为成员和最终用户奔波在世界各地，传播技术，提供专业和应用支持服务。
HART通讯标准是细化而稳定的，但必须支持流程工业的需求而发展新功能和改进，同时保持向后兼容和互操作的基本原则。由技术工作组调研、提出和开发技术的改进，然后通过基金会的成员和董事会投票表决批准。
1.3基金会组织结构
HART通信基金会的组织结构包括：
● 会员公司;
● 董事会;
● 执行委员会;
● 官员-- 总裁，秘书和财务;
● 工作人员;
● 技术委员会。
基金会的年度成员代表大会在每年的6月在世界选定的位置召开。董事会任期两年，由会员投票选出。在任何年可选举或重新选举一半的董事会成员。
2. HART通信协议
2.1 HART概述
目前在世界各地所安装的大多数智能现场设备均具有HART功能。但是，初次接触自动化领域的一些朋友可能需要了解这项技术。
简而言之，HART(高速可寻址远程传感器)协议是智能设备与控制或监测系统之间在模拟线缆上发送和接收数字信息的全球标准。
更具体地说，HART是一个双向通信协议，提供了智能现场仪表与主机系统之间的数据访问。主机可以是任何软件应用程序，从技术人员的手持设备或笔记本电脑，到工厂中使用任何控制平台的过程控制、资产管理、安全或其他系统。
2.1.1 为现有工厂提供数字化升级
HART技术为下述这些工厂的运营者提供了一种可靠的、长远的解决方案，可以发挥智能设备数字通信功能的优势-- 该功能在大多数安装设备中都已存在。由于目前运行的大多数自动化网络，均基于传统的4 - 20mA模拟线路，所以HART技术便可以发挥重要的作用，因为数字信息可与4 - 20mA信号同步通信。
2.1.2数字化的作用
使用智能设备的在线调试、校准和诊断功能时，HART技术充分发挥了其功效。
有几个原因使用户需要使智能设备与主机通信。包括：
● 设备的配置或重新配置;
● 设备诊断;
● 设备故障排除;
● 读取设备所提供的额外测量值;
● 设备状况和状态;
● 其它原因：使用HART技术拥有诸多好处，而且不断有更多的用户在他们的项目中报告其所带来的好处。
这些优势和成功经验解释了为什么HART能成为通信协议中是使用最多的协议之一，并安装在世界各地的3千多万台设备之中。
如果你曾经使用座机电话，通过来电显示知晓打电话的人，你已经知道HART协议所做的一半工作了，即它告诉“谁”在打电话。在工业自动化网络中，这个“谁”便是基于微处理器的智能现场设备。除了让这种智能现场设备“给家打电话”之外，HART通信还让主机系统向智能仪表发送数据。
HART出现于80年代后期，基于模拟电话通信提供来电显示的同样技术。它经历了持续的发展，目前内置无线HART通信的自动化产品也已经上市。
2.2 HART是如何工作的
“HART”是高速可寻址远程传感器的缩写。HART协议利用贝尔202频移键控(FSK)标准，将低电平的数字通信信号叠加在4 - 20mA之上。
图1. 频移键控(FSK)
这项技术实现了双向现场通信，使智能现场仪表除了过程变量还能传输更多的信息。HART协议以1200 bps的速率通信，且不影响4 - 20mA信号，允许一个主机应用程序(主设备)，从智能现场设备每秒获取两次或两次以上的数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，因而不会对4 - 20mA信号造成干扰。
HART技术是个主/从协议，这意味着，只有当主设备发出信号时，智能现场(从)设备才会发送信号。HART协议可在多种模式下使用，如点到点或者多点模式，在智能现场仪表和中央控制或监测系统之间传输信息。
HART通信发生在两个具有HART功能的设备之间，通常是智能现场设备和控制或监测系统之间。通信使用标准的仪器级电缆，并且使用标准的接线和终端处理方式。
HART协议提供两个同步通信通道：4 - 20mA模拟信号和一个数字信号。4 - 20mA信号利用4 - 20mA的电流回路-- 它是最快和最可靠的工业标准，来传输测量值(在现场仪表的情况下)。另外，HART利用叠加在模拟信号之上的数字信号，来传输其它的设备信息。
数字信号中包含了来自设备的信息，包括设备状态、诊断、额外的测量或计算值等。这两个通信通道结合起来，提供了一种易于使用和配置的低成本、高可靠、完整的现场通信解决方案。
图2. 两个通信通道
HART协议最多可有两个主设备(第一主设备和第二主设备)。这可以利用第二主设备，例如手持通信器，而不会对第一主设备，如控制/监测系统的通信造成干扰。
图3. 第一主站和第二主主站
HART协议允许与现场设备之间的数字通信采用点到点或多点模式配置。
图4. 点到点的配置
2.2.1 多点模式的配置
还有一个可选的“猝发”通信模式，其中单个从设备可连续广播标准的HART回复信息。这一可选的“猝发”通信模式有可能采用更高的更新速率，使用通常只限于点到点的配置。
图5. 多点配置
2.3 HART协议的优点
在模拟信号环境中工作的自动化工程师经常会说，“要是我不去现场，就能获得设备信息的话…”或者“要是我能将那个压力变送器的这项配置信息存入我的电脑的话…”。有了HART，他们就不再需要说出“要是”这样的话了。世界各地的用户已经认识到HART通信的优势，当使用HART功能的手持设备和便携式电脑测试、校准和诊断设备时，他们在现场就能便捷地获取设备的信息。事实上，设备的测试、诊断和配置从未变得如此的简单!
然而，许多人尚未认识到HART技术的最大优势，这些优势来自与实时的资产管理和/或控制系统的全天候连接。
2.3.1 HART技术可以帮助用户
● 利用整套智能设备数据的能力，来提升运营能力。对设备、产品或工艺性能出现变化进行早期预警;
● 缩短发现到解决问题的时间;
● 不断验证回路和控制/自动化系统策略的完整性;
● 提高资产效率和系统可用性。
2.3.2 提高工厂的可用性
● 将设备和系统集成起来，可检测先前检测不到的问题;
● 实时检测设备和/或过程的连接问题;
● 通过获取新的早期预警，减少偏差造成的影响;
● 避免非计划停机或过程中断造成的高成本。
2.3.3 降低维护成本
● 快速确定和验证控制回路和设备配置;
● 使用远程诊断，可减少不必要的现场检查;
● 捕获性能趋势数据，进行预测性维护;
● 减少备件库存和设备管理成本。
2.3.4 改善监管合规
● 对合规数据进行自动记录;
● 帮助进行自动安全关机测试;
● 利用先进的诊断，提高安全完整性等级(SIL);
● 利用多变量智能化设备，获取更深入、准确的报告。
2.3.5 HART技术的标准功能与现有4 - 20mA模拟网络的兼容，具有广泛的产品选择
● 与标准4 - 20mA布线相兼容;
● 与数字数据的同步传输;
● 通过直观的菜单界面，帮助用户进行操作;
● 通过精确和稳定的协议减少了风险，易于实现成本收益的最大化;
● 广泛的产品选择，有许多供应商提供的兼容设备和应用软件;
● 平台独立，在多供应商环境中提供完全的互操作性。
2.3.6 来自一流供应商的全球性支持
在业界的解决方案中，几乎所有全球一流的过程检测和控制系统供应商都积极支持HART技术。目前，由300余家HART通信基金会会员所制造的产品涵盖了24多种设备种类，包括1300多个通过基金会注册的设备。
2.4 HART规范
HART协议于80年代后期开发，并于90年代初移交给HART基金会。从那时起，它已经更新了好几次。每一次的协议更新都确保与以前的版本兼容。HART协议当前的版本是7.3版。“7”表示主修订号码，而“3”表示次修订号码。
HART协议实现了开放系统互连(OSI)7层协议模型的第1、2、3、4和7层。
2.4.1 HART协议物理层
以贝尔202标准为基础，采用频移键控(FSK)，1200bps的速率通信。代表0和1位值的信号频率分别为2200和1200Hz。该低电平信号叠加在4到20mA的模拟测量信号之上，而不会对模拟信号造成任何干扰。
2.4.2数据链路层
定义了一项主从协议 - 在正常使用下，现场设备只在收到信号时才作回答。可以有两个主设备，例如，控制系统作为第一主设备，而手持HART通信器作为第二主设备。时序规则定义每个主设备可以开始通信事务的时间。单个多点线缆对可以连接多达15个或更多的从设备。
2.4.3 网络层
提供路由、端到端安全及传输服务。它管理与通信设备之间端到端通信的“会话”。
2.4.4传输层
数据链路层确保通信成功地从一个设备到另一个设备传播。传输层可以被用来确保端到端通信的成功。
2.4.5 应用层
定义了协议所支持的命令、响应、数据类型和状态报告。在应用层，协议的公共命令分为四大类：
● 通用命令 - 提供在所有现场设备都必须实现的功能
● 常用命令 - 提供很多设备所共有的功能，但并不是所有的现场设备都具有的功能
● 设备特定命令 - 提供某特定现场设备所特有的功能，由设备制造商所指定
● 设备系列命令 - 为特定测量类型的仪器提供一套标准化的功能，允许无需使用设备特定指令便能进行完全的通用性访问。
通信协议的应用
3.1阿普尔顿纸业利用HART加强资产管理
3.1.1项目目标
● 以最低的成本升级和扩展现有系统;
● 提高仪表配置和预防维护能力;
● 增强故障排除能力。
3.1.2解决方案
● 安装100多个HART流量计、控制阀和压力传感器;
● 通过PLC和支持HART的输入/输出系统实现HART通信。
3.1.3 成果
● 仅在布线方面就节省了约40000美元;
● 通过远程配置设备节省了时间和资金;
● 由于所需的压力和温度变送器减少，因此又节省了10000美元。
造纸商阿普尔顿在对纸张涂层业务进行重大升级时使用HART技术来加强资产管理。该公司在其位于威斯康星州阿普尔顿的工厂安装了100多个支持HART的流量计、控制阀和压力传感器，取得了积极成效。
阿普尔顿控制系统技师克里斯µ范µ萨姆毕克表示：“HART为我们提供了绝佳的机会来以最低的成本扩展现有控制系统。”
该造纸商的目标是：最大限度地降低硬件、软件、培训、备件成本;找到一种简单而强大的系统来告知员工设备的健康状况;将该系统应用于其它领域;建立一个配置、跟踪、故障排除数据库;获得所有仪表/设备数据。
阿普尔顿通过罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)的ControlLogix可编程逻辑控制器(PLC)和支持HART的输入/输出系统实现HART通信，将智能仪表与艾默生过程管理(Emerson Process Management)的AMS套件相连。凭借HART技术所提供的更强的故障排除能力，阿普尔顿提高了其仪表配置和预防维护能力。
萨姆毕克表示：“HART能够从我们的质量流量计中获取多变量信息，仅在布线方面就为我们节省了约40000美元。”阿普尔顿还通过远程配置设备节省了时间和资金。HART技术目前所需的压力和温度变送器数量分别减少了12个，因此又为公司节省了10000美元。
萨姆毕克称，HART还改善了其它领域的操作，包括“更好的诊断;控制回路验证(通过HART信号将信息导入PLC);更高的工厂可用率;更好的产品质量和功用;更高的产品收率;更低的运营维护成本;以及更强的合规性。”
找到一种可用于PLC系统的新型HART智能卡也令阿普尔顿获益良多。这种由Spectrum Controls供应的卡使该公司能够以最少的设备和成本升级现有系统。萨姆毕克表示：“我们的大多数现有仪表都支持HART，所用的HART卡与我们现有的控制系统相兼容。”
通过在PLC控制平台中安装某OEM的HART卡，阿普尔顿能够同时在AMS和控制系统中使用HART数据。“HART提供了很多常规模拟系统无法获得的信息，”萨姆毕克补充道。
“HART非常有效，”萨姆毕克说。“我们之所以成功，是因为HART协议比其它现场总线技术更适合用于扩展。”
3.2赢创利用 HART通信降低回路检查成本
3.2.1 项目目标
● 制定更有效的回路检查方法;
● 减少仪表维护和管理所需的时间和人力。
3.2.2 解决方案
● 2000多个HART仪表与中央控制室相连;
● 远程HART连接同时将数据传输至集成式资产管理和安全仪表系统。
3.2.3 成果
● 每天从控制室进行仪表故障排除;
● 远程控制室访问使回路检查时间和成本减少了25%;
● 即时访问资产数据提供了更有效的方法来达到IEC 62382电力和仪表回路检查标准。
位于中国上海的赢创德固赛特种化学有限公司证明了实时HART技术从现场接入控制室的能力。按需数据通过在线监控、诊断和存档加强了配置和校准管理。
赢创德固赛特种化学有限公司在中国拥有近20家分公司，致力于抓住亚洲尤其是中国甲基丙烯酸酯和下游产品快速增长的机会。该公司上海工厂的工程师们决定使用HART技术将现场仪表与分布式控制系统(DCS)以及资产管理和安全系统相连。
位于上海化学工业区的甲基丙烯酸酯工厂于2008年投入运营。资产管理系统在运营之初便开始使用，甚至在启动前的试运行期间被用于回路检查。
赢创工程自动化和过程管理部门仪表项目经理卢克µ斯特克称，公司围绕关于资产管理系统中HART应用的技术报告举行了集体讨论会，最终决定采用HART通信。
通过将远程回路检查与传统的现场手持式设备检查进行比较，斯特克补充说：“由于采用了HART通信，回路检查时间和成本减少了25%。”事实上，斯特克表示：“仪表的日常故障排除现在主要通过控制室进行，既安全又方便。”
自动化平台与现场相连，借助HART协议，用户可以通过中央数据库上传和下载现场设备配置，简化了数据可见性和控制。凭借HART技术，智能设备管理器软件使工程师能够持续监控运营情况以及阀门和仪表的健康状况。
基于HART的连接从分布式控制系统(DCS)扩展至资产管理和安全系统(集成式DCS平台的一部分)。
目前在工厂内，2000多个仪表采用HART通信与中央DCS和资产管理软件(用于监控所有现场仪表的使用情况)相连，以此来传输数据。此外，该平台集成式安全仪表系统(SIS)的逻辑运算器使用HART技术与传感器相连，以进行回路检查和安全仪表联锁验证。
这种连接的一个重要方面在于一些SIS逻辑运算器被用于复杂的在线易燃性计算(SIL3)，以确保反应堆在产品易燃性极限内安全运行。对于与安全相关的仪表，供应商校准认证、详细的校准测试计划、校准时间间隔以及安全和清除说明可通过资产管理数据库获取。
使用这些数据可帮助工程师防止试运行阶段常见的瓶颈。这就提供了更有效的方法来达到IEC 62382国际电力和仪表回路检查标准。
当设备表现欠佳或即将发生故障时，HART技术能帮助用户意识到问题所在，为与安全相关的应用带来了长期优势。基于实际设备性能的预见性维护提升了安全性并延长了工厂正常运行时间。现场设备本身的智能设计有助于确保在对安全或生产力构成威胁之前找出潜在问题。
该工厂的预见性维护项目将使维护团队花费的时间缩短。斯特克表示：“我们坚信，我们的工厂对所有HART仪表进行预见性设备诊断将为关键人员带来全面的相关运行信息，通过预测意料之外的故障和避免因此引起的停工，提高工厂可用性。”
采用HART技术和智能现场设备进行连续按需诊断使工厂节省了赶赴现场的成本，并且简化了数据检索，例如自动保存仪表测试报告和其它所有维护信息。
工厂的工程师们很早便决定从项目之初开始使用HART技术，因此，进行这类长期系统监控能够起到作用。自动将仪表参数上传至控制室应用对工厂运营很有帮助。
“资产连接”在建设期间很有帮助，因为它能自动识别现场设备断电并发出报警。控制阀上有瑕疵的定位器可轻松替换，只需将故障设备的配置转移即可。用于自动准确建立仪表数据库的HART通信有助于试运行以及持续监控和维护。举例来说，该系统可以监控和汇报手持式通信器完成的任何未经授权的参数调整。
与资产管理系统相连的HART通信利用仪表预警系统为赢创提供了帮助。例如：供气失败的阀门;以及因被隔离而使外壳内温度上升的变送器。所面临的挑战是要学会解读预警信息以及做出明智的更换或修理决定。因此，建立一个完善的报警管理系统并非易事。
HART技术在工厂工程师和维护人员中得到越来越多的认可，他们意识到了这种先进的现场设备功能在控制室应用远程连接中的价值。
斯特克表示：“利用通过HART协议提供的诊断数据使我们能够预测波纹管密封阀门的使用寿命，我们可以使用预警进行主动维护。若没有HART提供的综合功能，我们将需要花费更多的人力和时间来维持工厂运营。”
通过实时使用HART技术实现的收益包括：
● 从控制室轻松配置现场仪表;
● 轻松进行仪表校准管理;
● 对设备进行在线诊断和状态监控;
● 自动将校准和配置数据存入资产管理数据库;
● 减少维护所需的人手;以及
● 轻松检查/调整设备参数，更好地进行控制回路调整。
斯特克表示：“为了充分利用来自HART设备的诊断数据，我们意识到我们必须重新思考、精简和调整维护工作流程，令其变得更高效、更经济。我们依然在不断学习和执行有关如何充分发挥HART通信能力的新思路。”
赢创德固赛特种化学有限公司因杰出的成就、独创性和创新而荣获HART创新成就奖，该公司在实时应用中借助HART通信改善运营和维护，并且从智能仪表和自动化系统投资中实现更大的效益。在上图中，赢创自动化和过程管理团队在中国上海的甲基丙烯酸酯工厂接受颁奖。
