HART协议和4-20mA的主要区别在于它们的信号类型和通信方式。4-20mA是一种传统的模拟量电流信号，用于工业现场的远程控制和测量，其特点是通过电流的大小来表示不同的信号值，最小电流为4mA，最大电流为20mA，这种信号方式具有良好的稳定性和可靠性。而HART协议则是一种数字通信技术，它在传统的4-20mA模拟信号上叠加了一个低频的音频数字信号(幅度为0.5mA)，通过这种方式实现了双向数字通讯。HART协议支持在现有的4-20mA系统上进行数据通信，不需要修改布线，只需将PLC或DCS上的模拟量模块更换为支持HART功能的即可。
具体来说，HART协议提供了两个同步通信通道：一个是传统的4-20mA模拟信号，另一个是数字信号。HART协议的一个重要特点是它的兼容性，它可以在不改变现有4-20mA系统的前提下，通过添加数字通信功能来提高系统的智能化水平和灵活性。
HART协议与4-20mA的主要区别在于HART协议在保留传统模拟信号的基础上，增加了数字通信功能，使得设备能够进行更复杂的通信和控制操作，而4-20mA则主要提供一种基本的模拟量电流信号传输方式。
一、 HART协议的具体工作原理是什么?
HART协议是一种在工业自动化领域中广泛使用的通信协议，它允许智能现场设备与监控或控制系统(如DCS和PLC系统)之间通过模拟线路传输和接收数字数据。HART协议的工作原理基于OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。具体来说，HART协议采用频移键控(FSK)技术，在4～20mA的模拟信号上叠加频率信号以实现数字通信，这种方式不会影响到原有的4～20mA模拟信号的传输，从而实现了真正的数字同步通信。HART协议支持双主站模式，即一对电缆线上最多可以连接15个从设备。
在通信过程中，HART协议是半双工的，意味着主机可以与现场变送器通信，反之亦然。这种问答式的通讯模式意味着一个现场设备只对被要求的信息做出应答。此外，HART协议的数据传输率为1200bps，它在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，由于FSK信号的平均值为0.这保证了不影响传送给控制系统模拟信号的大小。
HART协议通过在模拟信号上叠加数字信号的方式，实现了智能现场设备与监控或控制系统之间的高效、可靠的数字通信，同时保持了与现有4～20mA模拟技术的兼容性。
二、 4-20mA信号在工业现场的应用有哪些限制和挑战?
4-20mA信号在工业现场的应用虽然具有一定的优势，但也面临着一些限制和挑战。首先，4-20mA信号的传输距离有限制，一般最远传送距离控制在100m以内，超过这个距离则建议使用数字信号(如485通讯)。其次，尽管电流信号相对于电压信号抗干扰能力更强，但在实际应用中仍然可能遇到干扰问题，如传感器断路、短路或“虚断虚短”，以及电压偏低、偏高等情况。此外，工业现场的噪声电压幅度可能达到数V，虽然噪声的功率很弱，但噪声电流通常小于nA级别，这可能会给4-20mA传输带来误差。
为了解决这些挑战，可以采取一些措施。例如，如果遇到干扰问题，可以检查信号源是否有足够的远传驱动力，并在必要时增加信号调理器以提高驱动力后再进行远传。此外，传输距离较远时，可以在一定距离上增加信号中继器来提升信号质量。这些措施有助于克服4-20mA信号在工业现场应用中的限制和挑战。
三、 如何在现有的4-20mA系统上实现HART协议的兼容性和升级?
在现有的4-20mA系统上实现HART协议的兼容性和升级，可以通过以下步骤进行：
- 理解HART协议的基本原理：HART协议允许在传统的模拟4mA至20mA电流环路内实现双向1.2/2.2 kHz FSK(频移键控)调制数字通信。2. 选择合适的智能转换器：为了在4-20mA系统中实现HART协议，需要使用专门设计的智能转换器。此外，还有其他类型的转换器，如SM100-T-B多变量输出转换器和SM700-D多路4-20mA模拟量输出转换器，它们集成了HART协议与RS485通讯功能。
- 集成HART协议与现有系统：通过将智能转换器集成到现有的4-20mA系统中，可以实现对HART协议的支持。这包括将转换器连接到控制系统或手操器，以确保系统能够接收和处理来自智能设备的数字信号。
- 利用HART协议的优势：一旦实现了HART协议的兼容性，就可以利用其提供的各种优势，如远程校准、故障查询和额外过程变量的传输等。这些特性可以提高系统的性能和可靠性。
- 考虑未来的技术升级：随着新的数字介质选项的应用，可能需要进一步的技术升级来保持系统的先进性和效率。例如，从4-20mA迁移到Ethernet-APL是向更高性能和更广泛应用的一种方式。
通过理解HART协议的工作原理，选择合适的智能转换器，并将其集成到现有系统中，可以在不干扰原有模拟信号的前提下，实现对HART协议的支持和升级。同时，应考虑到未来技术的发展趋势，以便不断优化和提升系统的性能。
四、 HART协议与其他数字通信技术(如MODBUS、PROFIBUS)相比，有哪些优势和劣势?
HART协议与其他数字通信技术(如MODBUS、PROFIBUS)相比，具有以下优势和劣势：
优势：
- HART协议具有高可靠性，安装简单，可扩展性强。
- HART协议使用数字信号和模拟信号来传输数据，适用于连接智能传感器和控制设备，以提供实时的数据。
- HART协议可以采用FSK技术和纵向奇偶校验，具有良好的抗噪声干扰性和数据传输可靠性。
HART通信优势在于快速确定和验证控制回路和设备配置，使用远程诊断，以减少不必要的现场检查;捕获性能趋势数据，以进行预测性维护诊断;减少备件库存和成本。
劣势：
- HART协议的安全性较低。
- 相比于其他协议，HART协议可能在某些应用场景中不如MODBUS或PROFIBUS灵活或兼容。
- 与MODBUS相比，HART协议的主要区别在于其对安全性的一定保障以及对智能仪表和控制系统通信的专一设计。MODBUS是一种开放的、兼容的、灵活的、易于使用的协议，但没有安全性保障。而HART协议则提供了更高的可靠性和安全性，尽管这可能以牺牲一定的灵活性为代价。
与PROFIBUS相比，HART协议主要用于智能仪表和控制系统的通信，而PROFIBUS PA改进并取代了过程自动化中的传统系统，如4-20mA和HART，显示了PROFIBUS在特定应用领域的优势。PROFIBUS-DP通过令牌传送方式和主从方式确保了数据的有效传输。
HART协议在可靠性、安装简便性、可扩展性以及安全性方面具有明显优势，但在灵活性和兼容性方面可能不如MODBUS和PROFIBUS。选择哪种通信协议取决于具体的应用需求和场景。
五、 在实际应用中，HART协议对提高系统智能化水平和灵活性的具体贡献是什么?
HART协议在实际应用中对提高系统智能化水平和灵活性的具体贡献主要体现在以下几个方面：
- 智能化设计的实现：通过采用霍耳元件进行非接触测量等技术，HART协议使得线性化和温度补偿等功能可以通过软件实现，大大提高了仪表的整体性能。这种智能化设计不仅提高了测量的准确性，也增加了系统的灵活性。
- 支持更多功能和灵活性：与传统的工业通信协议相比，HART协议引入了更多的功能，如双向通信、实时数据传输、设备身份验证等，这些功能使得工业设备之间的通信更加高效和可靠，从而提高了系统的智能化水平和灵活性。
- 无线技术的应用：WirelessHART作为HART协议的一种扩展，增加了无线功能，这不仅提高了过程管理的灵活性，还增强了互操作性和易用性。无线HART协议的引入，为面向不同应用要求的系统提供了更大的灵活性。
- 长期适用性和灵活性的保证：HART协议通过扩展字段支持新技术和功能，确保了其长期的适用性和灵活性。这种设计考虑到了未来技术的发展，使得HART协议能够适应不断变化的技术需求。
- 兼容性和优越性的结合：HART协议既兼容4-20mA模拟信号仪表的智能化解决方案，又具备现场总线的优越性。这种从模拟系统向数字系统的过渡性设计，为用户提供了更多的选择和灵活性。
HART协议通过增强双向数字通信、实现智能化设计、引入更多功能和灵活性、应用无线技术、保证长期适用性和灵活性以及结合兼容性和优越性等方面，对提高系统智能化水平和灵活性做出了重要贡献。
