WirelessHart标准由国际电工委员会(IEC)提出。国际电工委员会(IEC)成立于1906年,至2013年已有107年的历史。它是世界上成立最早的国际性电工标准化机构,负责有关电气工程电子工程领域中的国际标准化工作。通俗讲:IEC组织就是融合目标领域的成熟技术,标准化,有利于行业应用的组织。首先,本领域中各个具备实力的公司,推出自己的标准,并在实际应用中得到验证,然后,通过IEC的认证、标准化。最后,实现标准先行、技术推进、产品占领、市场相对垄断的一个竞争策略。所以,在IEC中的各个标准往往是各个厂家博弈的结果,也就出现了同样是现场总线技术,在IEC标准中有很多类似的重复性技术,各具特点,独霸一方领域。

Hart标准是IEC 61158现场总线标准之一。HART(Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽,适度响应时间的通信,经过10多年的发展,HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。在2008年国际电工委员会提出新的现场总线标准IEC 61158,将现场总线相关的标准分为15个通信行规族(Communication Profile Families, CPF)[1]

WirelessHART通讯标准是建立在已有的经过现场测试的国际标准上的,其包括HART协议(IEC 61158)、 EDDL (IEC 61804-3)、IEEE 802.15.4无线电和跳频、扩频和网状网络技术。

WirelessHART技术能够提供有力的无线通讯协议,以满足多种过程测量、控制和资产管理程序的需要。基于已被工人和为大众熟悉的HART通讯协议,WirelessHART使用户能够迅速方便的从无线技术中受益,同时还能与已有设备、工具和系统兼容。

HART通讯基金会下属的公司和领先的产业机构发明了WirelessHART技术以满足应用无线网络的过程对象的特殊要求。
主要优势:

  • 可靠性 即使存在干扰,网状网络、频道跳动和时间同步消息等技术也能维持其稳定性。WirelessHART可以与其他无线网络同时使用
  • 网络通讯的安全和隐私由数据加密、身份认证、授权、密码管理和其他尖端工业标准保证。
  • 有效的电源管理借助及其他技术使电池、太阳能和其他低消费电能应用于无线网络设备成为可能。

目前,很多工业自动化的大公司比如西门子、honeywell都已经采用WirelessHart标准。

一、WirelessHART概述

随着过程测量需求的不断增加,用户寻求一种简单、可靠、安全和具有成本效益的方法,来为控制系统提供新的测量值,而无需使用更多的电缆。随着过程改进、工厂扩建、法规要求和安全水平要求进行更多的测量,用户希望无线技术能够提供解决方案。

全球安装有大约3千万台HART设备在提供服务,HART技术是智能过程检测中使用最广泛的现场通信协议。拥有无线通信提供的额外功能,这一强大技术所提供的原有优势将持续为用户提供保持竞争力所需要的运营方面的深刻见解。
wireless_overview_clip_image001
依靠HART的强大功能

  • 建立在公认的业界标准之上
  • 由业界和技术专家所创建
  • 多厂商支持和拥有互操作性的设备
  • 利用现有的设备、工具和知识

灵活的应用

  • 降低的安装成本 – 无需线缆!
  • 过程监测、控制和资产管理
  • 健康、安全和环境合规监测

支持工厂生命周期的所有阶段

  • 快速工程设计、部署和调试投产
  • 从时间表到预测性维护的具有成本效益的改变
  • 简便易行的诊断和故障排除

简便、可靠、安全

尽管在世界各地安装的HART设备数以百万计,但在大多数情况下,它们所提供的有价值信息被困在设备之中。据估计,在所有安装的HART设备中,有85%未被访问,故未提供设备诊断信息,而通过4 – 20mA模拟信号则仅仅传输过程变量数据。这通常是由于获取HART信息的成本和困难。

WirelessHART技术使得用户能够访问困在这些安装的HART智能设备之中大量未使用的信息,这些设备占到已安装HART设备的85%。它还提供了一种简便、可靠、安全地部署新测量和控制点的方法,而没有布线成本。

简便

WirelessHART是一种稳固的技术,而且易于实现。它使得用户能够快速方便地获得无线技术的优势,同时保持与现有的HART设备、工具和系统的兼容性。
易于安装和调试

  • 熟悉的工具、工作流程和程序
  • 多种电源选项
  • 降低的安装和布线成本
  • 与其它无线网络共存
  • 支持星状或网状拓扑结构
  • 逐个添加设备

自动网络功能

  • 自我组织和自我修复
  • 不间断的安全
  • 新仪器加入后自动调整
  • 自动调整以适应工厂基础设施的改变

可靠

工业设施拥有密集的基础设施、大型设备的频繁运动、变化的条件或多种无线电频率和电磁干扰源,这可能会对通信带来挑战。WirelessHART拥有数项特点,因而在所有工业环境中,能够提供内置的99.9%端到端的可靠性。

拥有信道跳频的标准无线信号

  • 无线信号符合IEEE 802.15.4-2006
  • 无需许可证的2.4GHz频段
  • 跨信道“跳”频,以避免干扰
  • 在具有挑战性的无线环境中,提供很高的可靠性

与其它无线网络共存

  • 对可用频道的“清晰频道评估”测试
  • 黑名单避开了经常使用的频道
  • 优化带宽和无线信号的时间
  • 时间同步,以便准时传输信息

自修复网络

  • 调整通信路径,以获取最佳性能
  • 监控路径的退化,进行自我修复
  • 寻找替代路径,绕过障碍
  • 网状网络和多个接入点

安全

WirelessHART采用强大的安全性措施,以时刻保护网络和数据。这些措施包括最新的安全技术,以提供最大程度的保护。
保护有价值的信息

  • 强大的、多层次、不间断的安全
  • 业界标准的128位AES加密
  • 每条消息都有唯一的加密密钥
  • 数据的完整性和设备认证
  • 加入网络使用轮流的加密密钥

保护无线网络

  • 信道跳频
  • 可调发射功率级
  • 多级安全密钥访问
  • 可指示失败的访问尝试
  • 报告消息完整性的缺失
  • 报告验证失败
  • 具有抵抗来自Wi-Fi型因特网攻击的安全性

二、无线HART – 工作原理

WirelessHART是一种过程自动化应用领域的无线网状网络通信协议。它给HART协议增添了无线功能,同时保持了与现有HART设备、命令和工具的兼容性。

每个WirelessHART网络包括三个主要部分:

  • 与过程或工厂设施连接的无线现场设备。此设备可以是一台具有内置WirelessHART的设备;或者现有安装的拥有HART功能的设备,并且有一个WirelessHART适配器与之相连。
  • 网关使得这些设备能够与连接高速骨干网或其他现有工厂通信网络的主机应用程序通信。
  • 网络管理器负责配置网络、调度设备之间的通信、管理邮件路径以及监测网络的状态。网络管理器可以集成到网关、主机应用程序或过程自动化控制器之中。

Expanded_WirelessHART_Mesh_Network

网络使用IEEE 802.15.4兼容无线信号,在2.4GHz工业、科学和医疗无线电频段工作。无线信号采用直接序列展频技术和信道跳频以保证通信的安全性和可靠性,而且网络上设备之间使用TDMA同步、延时控制通信。这项技术通过在范围广泛的过程控制行业,进行现场试验和实际的工厂安装,其成功已经被证明。

网状网络中的每台设备都可以作为其它设备消息的路由器。换句话说,一台设备不必与网关直接通信,而只需将其消息转发给下一台最近的设备。这扩大了网络的覆盖范围,并且提供冗余的通信路径,以增加可靠性。

网络管理器根据延迟、效率和可靠性来确定冗余路径。为了确保冗余路径保持开放和通畅,信息不断交替使用冗余路径。因此,像因特网一样,如果消息无法通过一条路径到达其目的地,它会自动重新路由到已知良好的冗余路径,而不会丢失数据。

网状设计还使得添加或移动设备简便易行。只要设备处于网络上其他设备的范围之内,它便可以通信。

为了灵活满足不同应用的需求,WirelessHART标准支持多种信息模式,包括过程和控制值的单向发布,通过例外发出自发性的通知,临时请求/响应,以及大型数据集的自动分块传输。这些功能使得通信能够按照应用的要求而进行定制,从而减少耗电和开销。

三、WirelessHART技术的组成部分

网关提供到主机网络的连接,从WirelessHART,然后到主要的主机接口,如Modbus总线 , 现场总线(Profibus),或是 以太网。网关还提供网络管理器和安全管理器(这些功能还可以存在于主机一级 – 但最初它们将位于网关上)

网络管理器建立并维护MESH(网状)网络。它决定最佳路径,并管理时间片访问的分配(WirelessHART将每秒分为10毫秒的时间片)。时间片访问取决于所需的过程值刷新速率和其他访问(报警 – 配置更改)

安全管理器管理和分配安全加密密钥。它还保存授权加入该网络的设备清单。
过程包括测量设备 – 具有HART功能的仪器。

中继器是为WirelessHART消息提供路由的设备,但可能并没有自己的过程连接。其主要作用将是扩大WirelessHART网络的范围,或帮助“绕过”现有的或新的障碍。WirelessHART网络中的所有仪器均具有路由功能,这简化了无线网络的规划和实现。

适配器是一个插入现有的拥有HART功能的仪器的设备,它通过WirelessHART网络将仪器数据传输给主机。适配器可位于仪器4 – 20mA线缆的任何位置;它可由电池供电或从4 – 20mA电缆取电。有些适配器将使用电池供电,并且还使用同一电池给仪器供电。在这种情况下,就不再有到主机的4 – 20mA信号 – 所有过程数据都将通过WirelessHART报告。

手持终端可有两个版本。在第一种情况下,手持将是一个标准的HART FSK配置单元(只添加新设备的DD或DOF文件),就像日常任务如日常维护和校准检查中所使用的一样。对于无线支持的情况,手持用来将新仪器加入到现有的WirelessHART网络。

在第二种情况下,手持有到网关、然后再到仪器的WirelessHART连接,可用于读取过程变量(PV)或诊断之用。

四、部署指南

WirelessHART技术给过程自动化领域带来新的特点。基于HART协议的成功经验,WirelessHART以与现有的制度和惯例接轨的方式,扩展了过程检测的范围。

让我们回顾一下要保证WirelessHART安装成功所需的简单部署步骤。

WirelessHART项目的规划

  1. 确定项目的范围
    1. 项目的目标是什么 – 过程变量(PV)监测、非关键控制或仪器状态监控。对该问题的回答将影响您的设备选择 – 例如,选择电池供电的仪器,还是WirelessHART适配器。作为范围的一部分,一定要勘查网络覆盖范围、区域密度以及第一和第二检测仪器各是什么。
  1. 网络规划
    1. 您可以采用几种方法来规划网络和分配设备。它们与给PLC/控制器的I / O卡分配仪器的方法相类似,但是,也有一些诸如网关部署和更新速率等新的考虑。
    2. WirelessHART在这里的影响可能并不大,但会有一些新东西。例如,仪器数据表和I / O调度将需要反映新的信息,诸如网络ID – 入网密钥 – 刷新频率。
  1. 主机集成
    1. 这里的重点是,使用现有的协议(Modbus总线 – Profibus现场总线)进行主机集成,并且使用现有的工具进行仪器配置。新的考虑是安全性 – 但是它已经内置于设计当中了!

设备部署
不要忘了这是一个网状网络。仪器无需处于网关范围之内,而只需与另一台无线仪器接近。

网络规划提示:

  • 根据细分标准,布置仪器的位置
  • 通过按比例的现场绘图,检查覆盖面
  • 按照要求,布置中继器的位置
  • 可以将网关转移到工厂(检查必要的认证)
  • 如果需要的话,使用定向或远程天线

设备规范
WirelessHART设备在其无线特性方面,基本上都是相同的。设备必须在基金会注册登记,这表示它具有良好的无线设计,并与其他供应商的产品可相互操作。

验证天线的范围,因为有些设备可能提供天线的选项,这将改变距离上的假设。

工厂配置 – 决定您是否想要您的供应商所输入的网络ID和入网密钥(如果提供了的话)

调试投产和检验
规划WirelessHART网络是一个相当简便的过程。常识规则可指导进行成功的安装。以下是一些要记住的事情:
使用HART手持或个人电脑工具将仪器加入网络。重叠网络将有不同的网络ID。

  1. 步骤 – 网关
    1. 安装网关并为其供电
    2. 逐一安装设备
      • 由离网关最接近的开始
  2. 步骤 – WirelessHART设备
    1. 安装或启动设备的电源
    2. 输入网络ID
    3. 输入网络入网密钥
    4. 设置刷新(更新)速率
    5. 验证设备已加入网络
      • 在设备处使用手持或其他工具
      • 在网关
  1. 步骤 – WirelessHART设备的调试投产
      • 验证设备的运行
        1. 检查设备位号
        2. 检查设备工程单元
        3. 检查过程变量更新速率
        4. 检查电池电压
      • 验证网关
        1. 最少检查5个直接连接
        2. 对于新增中继器低于10%的大型网络,如有必要,检查25%的拥有直接连接的设备

WirelessHART网络的调试投产
当所有设备投产后,网络需要时间(>4小时)优化。检查每台设备至少3台相邻的设备,并最少检查60%路径的稳定性。增加天线的高度可以纠正很多情况,如有必要,添加中继器。

安全
允许通过密钥管理包括网络ID的密钥管理访问网络,包括所有设备都拥有一个全局密钥,每台设备均有单独的密钥,在工厂订货或测试时,使固定、轮流或分配的 – 密钥握手。白名单可以只包括“认可”的设备,或需要经过批准程序的设备

最佳做法

  • 每台现场设备至少有3台相邻的设备。如果两个主要路径之一受到妨碍或无法使用,第三台相邻设备将作为备份使用
  • 安装的设备(天线)离任何垂直表面 >0.5米
  • 安装的设备离地 >1.5米
  • 网关至少应当拥有5个邻居
  • 在大型网络中,25%的网络设备应当与网关存在有向连接

五、无线HART应用

无线技术开辟了在广泛领域进行应用的机会,这包括从加入以前由于物理或经济上的原因而无法进行的测量,到获得全厂范围的功能,如资产和人员跟踪、安全性和员工工作效率。

WirelessHART规范团队同时也认识到,没有一种技术对所有的应用都适合。他们的做法是把重点放在过程自动化的尚无无线标准的核心功能之上。

就像有线HART技术,WirelessHART支持全系列的过程监控和控制应用,包括

  • 设备和过程监控
  • 环境监测、能源管理、法规遵从
  • 资产管理、预防性维护、先进的诊断
  • 闭环控制(在适当情况下)

现实世界案例由HART通信基金会的会员公司根据最终用户的输入开发而成,有助于WirelessHART的开发团队确保最终的规范能够提供广泛的支持。

WirelessHART技术将补充而不是取代有线仪器,工厂中两者往往肩并肩工作。WirelessHART技术的向后兼容,包括HART指令结构和设备描述语言,使得使用同一工具便可以方便地同时支持有线和无线设备。

WirelessHART设备还希望超越“互换性”,以提供真正的互操作性。这意味着,用户可以选择最好的WirelessHART设备,而无需管制造商是谁,还能够保证兼容设备可以在一个系统中协同工作,并可相互替代而在主机系统一级依然不丧失功能 – 就像目前的HART设备一样。

从有线到无线
无论有线或无线,HART技术提供您所需要的工具和灵活性,以更好地管理您的现场检测资产。

有线
当HART设备部署后,过程变量(PV)通过4 – 20mA回路在控制系统读取。虽然在调试投产过程中获得应用,HART数据并没有与控制系统实时连接,这限制了您的资产投资价值。

有线+WirelessHART适配器
改造有线连接,以撷取HART数据未必可行。通过将WirelessHART适配器连接到现有的安装设备,可以很简便地访问滞留信息。HART数据传输到WirelessHART网关,并与控制或资产管理系统相接合。

WirelessHART
WirelessHART设备是个独立的装置,其消除了到控制系统的模拟连接。该设备可安装在工厂的任何地方,而无需线缆的花费。过程变量(PV)和HART数据通过WirelessHART网关与控制或资产管理系统连接。 

有线+无线 – 一起工作!
在现实世界中,有线HART+WirelessHART两种技术相结合提供具有成本效益、低风险的通信解决方案。协同工作,使您在已安装HART设备上的投资得到保护,而且可以快速、经济地增加额外的HART设备。

参考文章:

WirelessHART: Applying Wireless Technology in Real-Time Industrial Process Control