HART、PA、以及FF通讯

HART（Highway Addressable Remote Transducer）、PA（Profibus PA）和FF（Foundation Fieldbus）是三种常见的工业通信协议，广泛应用于工业自动化系统中，用于实现传感器、执行器与控制系统之间的数字化通信。它们各自有不同的工作原理、特点及应用场景，下面分别详细介绍：

一.HART（Highway Addressable Remote Transducer）

1. HART概述

HART（Highway Addressable Remote Transducer）是最早开发出来的工业通信协议之一，全称为“可寻址远程传感器高速通道”。它是一种混合模拟和数字信号的通信协议，基于传统的4-20mA模拟信号，并在该信号上叠加数字信号，提供双向通讯功能。

2. 工作原理

HART协议的核心在于FSK技术，它通过在4-20mA信号回路上叠加频率为1200Hz和2200Hz的高频信号来传输数字数据：

• 4-20mA信号：传递传统的模拟量，表示过程变量如温度、压力等。

• 叠加的FSK信号：传输数字信息，用于发送和接收设备状态、诊断数据、配置参数等。

这种设计允许在不影响现有模拟测量的情况下，通过同一对线进行数字通信，因此HART设备可以与传统模拟设备兼容。

3. 特点

• 兼容性强：与传统的4-20mA设备共存，可以逐步进行数字化升级。

• 双向通信：HART不仅能够接收过程变量，还可以配置、校准设备以及进行状态监控。

• 成本低：只需在现有的4-20mA回路基础上添加HART协议支持设备，升级简单

4. 应用场景

HART协议广泛应用于过程控制中的智能仪表（如变送器、流量计、调节阀等），用于在线诊断、远程配置和监控设备状态。

二、PA通讯（Profibus PA）

1. PA概述

Profibus PA（Process Automation）是Profibus家族中的一种通信协议，专门用于过程自动化。Profibus是一种全数字化通信协议，PA版本被设计用于过程控制领域，特别适用于危险环境和本质安全场合

2. 工作原理

Profibus PA基于Profibus DP（分布式外围设备）协议，并且使用了**MBP（Manchester编码和相位编码）**传输方式。这种方式允许在同一条总线上进行通信和供电，并且可以在本质安全区域内使用。

• 全数字化通信：不同于HART的模拟/数字混合信号，Profibus PA完全使用数字信号进行通信。

• 总线供电：PA设备可以通过通信总线供电，减少了布线的复杂性。

• 循环与非循环数据传输：PA通信支持实时过程数据的循环传输（例如温度、压力值），也支持非循环的配置、诊断等数据传输。

3. 特点

• 高集成性：Profibus PA可以将多个设备集成在同一条总线上，简化布线。

• 本质安全：PA设备设计符合本质安全标准（如IEC 61158），适合危险环境使用。

• 自动诊断：PA支持设备自诊断和状态监控，有助于提高系统可靠性。

• 总线供电：大多数Profibus PA设备可以通过同一根总线实现供电和通信，降低布线和维护成本。

4. 应用场景

Profibus PA主要应用于化工、石油、天然气等过程自动化行业，特别是在需要本质安全的环境中。

三、FF通讯（Foundation Fieldbus）

Foundation Fieldbus（FF）是一种全数字化的现场总线通信协议，专为过程控制应用设计。FF有两个主要版本：H1（31.25 kbps，用于现场设备）和HSE（高速以太网，100 Mbps，用于控制室设备）。

2. 工作原理

FF与Profibus PA类似，都是基于全数字化通信的协议，但FF具有更高级的功能，如：

• 全分布式控制：FF支持将控制功能分布到现场设备中，不再需要集中式的控制器。这样，某些控制逻辑可以直接在设备之间进行，从而减轻了中央控制器的负担。

• 双向通信：可以实现实时过程数据传输、设备参数配置、设备诊断、报警等功能。

• 系统冗余：FF支持冗余架构，可以提高系统的可靠性和可用性。

3. 特点

• 完全数字化：FF实现了从传感器到控制器的完全数字化传输，没有模拟信号部分。

• 分布式控制：FF的设备支持执行部分控制功能，不仅仅是数据的采集者。

• 高可靠性和冗余性：适用于大规模、复杂的控制系统，并支持冗余拓扑。

• 时间同步：FF支持设备的时间同步，适用于严格的时间控制要求场合。

4. 应用场景

Foundation Fieldbus主要应用于大型过程控制系统中，如石油化工、发电厂等，需要高度可靠性和分布式控制的场合。

对比总结

总的来说，HART适用于传统模拟设备升级为数字通信的场合，Profibus PA更适合本质安全场合的数字化应用，而Foundation Fieldbus则应用于需要更高级控制功能和分布式系统的复杂环境中。