这玩意儿不赖！——聊聊HART协议（2）（留言赠书）

剑指工控星期一, 04/22/2024 - 11:27 发表

HART协议的不断创新

大多数自动化技术推出后可能会红火一阵，但另一项新技术问世后，立马就偃旗息鼓不见动静了。我原来以为HART也会是这样的，因为它只是个变送器的多个数字通信之一，虽然被拉进所谓的“现场总线”，但又加了个“雏形”，只是有那么点“现场总线”的意思，但又不是真正的“现场总线”。

二十年过去了，无线通信技术问世，也开始争夺“现场总线”的市场，令人意想不到的是，2007年第一份流程行业无线通信技术的国际标准竟然令名为WirelessHART，与HART又挂上勾了，当时称WirelessHART是HART的无线版本。在无线初推出的头几年，只知道HART的版本号由HART 5升到HART 7了。到了2012年以后，我们才知道有个HART-IP，当WirelessHART无线现场设备以无线方式将信息传送到WirelessHART网关后，使用了一种技术将来自WirelessHART无线现场设备中的HART信息组合成IP数据包，并在更高带宽的以太网上向控制系统和资产管理系统传输，再通过应用程序将IP数据包分解，使WirelessHART无线现场设备的数据由应用程序使用。后来才知道，使用的这种技术叫做HART-IP。

又过了十几年，到了2021年6月，根据Ethernet-APL（Ethernet-Advanced Physical Layer，以太网高级物理层）项目负责人发布的新闻声明，正式推出Ethernet-APL技术并发布规格、工程指南和一致性测试计划，作为高级物理层它能够支持EtherNet/IP、HART-IP、OPC-UA、PROFINET或任何其他更高级别的协议。这里又提到HART-IP，因为在WirelessHART无线通信系统里，HART-IP已经实现了下面的任务：将HART信息组合成IP数据包，并通过以太网向控制系统和资产管理系统传输，以及通过应用程序将IP数据包分解，使WirelessHART无线现场设备的数据由应用程序使用。所以我们可以说在某种程度上，从HART发展到HART-IP时，似乎已经预见到了Ethernet-APL的发展会将HART-IP纳入其中，因此在WirelessHART系统里提前规划了这项工作。

4~20mA模拟仪表电流回路信号制是20世纪50年代首次标准化的，HART协议是将数字信号叠加在4~20mA模拟信号上并且不影响模拟信号传送，因而赢得普遍赞誉。但当正牌的现场总线问世后，HART经常被嘲笑为老旧和缓慢。如果HART就此止步，它也就昙花一现立马退出历史舞台了。但掌握HART命运的那些人，仍旧不断地折腾，不断为它集成新技术，这使HART技术不仅没有隐退，反而勇立潮头，成为最新、最先进技术的一个组成部分了！我又一次感动了，HART这玩意儿真不赖，还能与时俱进呢！

HART协议的不同版本

随着HART协议的推广应用，针对用户反馈回来的问题不断改进，因而产生了不同版本，HART协议的不同版本的演变过程见图2。其中有些版本的时间不同的资料会有不同说法，比如HART 2就有1985、1986两个说法，HART 5也有1988、1989两个说法，但这无关紧要，作为用户用不着去深究。

图2 HART协议的不同版本

1986年，第一个HART规范发布，这应该是HART 2，1987年、1988年又先后发布HART 3、HART 4，这些最早的HART版本，物理层为RS-485，链路层为令牌主从问答方式，应用层定义一些简单的通用命令，目前HART2、3、4版本已经很少见到。1989年发布了HART 5版本，这是一个主流版本，作为标准一直沿用了十多年后才新出现HART 6版本，但作为产品HART 5一直沿用至今。HART 5版本物理层改为模拟电流+FSK的叠加频率信号模式，1200bps；链路层仍为令牌主从问答方式，但增加了第二主设备，增加了从设备阵发（Burst）模式；应用层进一步丰富了通用命令、普通命令、特殊命令，短地址范围0～15。还在应用的HART设备绝大部分是HART 5版本，大约占了80%。

艾默生的罗斯蒙特公司在1985年首推的1151智能变送器的1151S就先后有HART2、3、4、5版本号，而1988年推出的3051只有HART2、3版本号，而有HART4、5版本号的共面式产品为3051C。

HART 6版本在2001年推出，物理层增加电流C8PSK，9600bps；应用层扩充了命令内容，使用扩展的用户标识，增加了设备簇命令，短地址范围0～63。总的来说，HART 6版本增强了数字系统集成功能：新增更高速的两线物理层PSK载波方式（遗憾的是该技术没有实现商用）；新增数字输入/输出（input/output，I/O）系统应用以及配套的RS-485物理层；增强了现场仪表的智能功能（更多的测量、配置和状态信息）。但HART 6版本仅被少数供应商采用，应用面非常窄。

随着系统集成应用的不断扩展，以及无线通信需求的出现，HART 7版本2007年推出，物理层增加了基于IEEE 802.15.4的2.4GHz物理层的无线传输（DSSS直接序列扩频、O-QPSK偏移四相相移键控、10dBm、250kbps）规范；采用了针对工业应用特别开发的链路层增加了时分多址访问（TDMA）链路控制方式；网络层增加了自组织、多路径、网状网络规范；应用层扩充了设备簇命令，增加了网状网络维护命令；在确保通信可靠性的同时增强信息安全特性。HART 7版本的推出，推动了HART的全面数字通信应用，WirelessHART现已成为了流程行业无线通信技术的主流，其功能主要在以下方面作了增强：新增无线通信技术；数字I/O功能的不断完善；HART阵发模式的增强及新添SafeHART规范；现场仪表系统集成应用的进一步增强（仪表状态信息、主机类型识别及容错处理、测量值时间戳、NE-107合规等）。

以太网是在20世纪80年代成为消费和商业网络应用的主流，基于IP网络运行的协议，可通过IP层实现异构网络的互联互通，提高了网络的可扩展性，分割了顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于顶层网络和底层网络的独立发展。

HART-IP就是简单的HART，封装在IP数据包中，它是在IP网络上实现HART协议的一种方式。因此，HART-IP结合了HART 7的所有功能，但增加了使用TCP/IP协议栈在以太网网络上传输数据的能力。HART-IP于2007年作为一种用于WirelessHART网关的高速以太网协议被引入，以实现从WirelessHART网关收集的HART数据传输。2012年，HART-IP列入HART规范，可实现从现场设备到控制室的简单垂直数据集成，成为设备直接与I/O服务器和主机通信的一种方法。在图3中，既有最早的有线HART技术通过远程I/O站接入的（见图3中左下方），又有无线WirelessHART设备通过WirelessHART网关接入的（见图3中正下方），还有Ethernet-APL设备通过APL现场交换机、APL电源交换机接入的（见图3中右下方）。

图3 HART设备信息通过HART-IP向上位控制系统传送的方式

传统上，HART通信一直是本地性质的，有线HART主要局限在电流环上的点对点，传输范围大体在百米级，WirelessHART虽然是一种跨越工艺单元装置的网状网络，但仍然是针对厂区范围内的通信，传输范围大体在百米级至千米级。然而，有了HART-IP，就是覆盖全球的远程通信，传输范围可达百公里甚至更远。

我一直在关心流程行业的无线通信技术，但是有很长一段时间，我们在介绍WirelessHART的资料中都没有见到过HART-IP这个词组，直到2012年HART-IP列入HART规范的很长一段时间后，才知道有HART-IP。但实际上它早就用在WirelessHART无线通信里面了，或许是当时还没有给应用在HART信息封装在IP数据包中的技术令名而已。

当然，HART-IP另外的应用案例是多路复用器（Multiplexer）、集中式远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）、远程I/O系统等设备与上位控制系统之间的工业以太网通信。据介绍，这是属于HART 7的v1版本。

在过程自动化领域Ethernet-APL技术紧锣密鼓策划之际，FieldComm Group（现场总线通信集团）认识到这项技术将对过程自动化现场设备的未来产生巨大影响，所以在2020年推出HART-IP v2版本，它扩展了安全性和其他更多的功能，以便更好地满足物理层以上的过程自动化需求，使HART-IP能够在工厂网络的现场仪表层中部署，用于包括控制在内的应用。这样HART-IP就与Ethernet/IP、OPC-UA、PROFINET等一起成为支持Ethernet-APL技术的基于以太网的更高级别自动化协议之一，为HART技术更广泛的应用打下基础。

运行HART-IP协议的APL现场设备可称为HART-IP over Ethernet-APL，它可使工业控制网络扁平化，并使许多更高级别的系统能够直接访问现场设备信息，而无需任何复杂的数据传输方案，就可以实现监控和设备故障诊断，使HART技术在实现流程行业工业物联网方面发挥重要作用。