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为什么WirelessHART™是正确时间的正确标准?

供稿:中国工控网 2016/9/19 10:12:48

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  • 关键词: WirelessHART HART 协议
  • 摘要:WirelessHART?标准为各种过程测量、控制和资产管理应用提供鲁棒的无线协议。基于已被实践检验的,熟悉的HART 协议,WirelessHART帮助用户快速,容易地得到无线技术的好处,同时保持与现有设备、工具和系统兼容。

  开发WirelessHART的工业领导厂商设计它去满足运行在过程工厂中的无线网络的独特要求。关键的能力包括:

  ① 可靠性——即使在有干扰的地方,由于网状联网(mesh networking) 、信道跳频(channel hopping)和时间同步报文(time-synchronized messaging)等技术,WirelessHART也能正常工作。WirelessHART与其他无线网络并存是确定的。

  ② 安全和保密——通过加密、核对、验证、关键的管理和其他开放的工业标准最好的实践经验进行网络通信。

  ③ 有效的电源管理——通过智能数据发布(Smart Data Publishing)和其他使电池、太阳能和其他低功率元件符合现实的技术进行有效的电源管理。

  在将来的ISA100系列标准中,除了其他能力以外,这些能力使WirelessHART是满足用户的无线过程自动化网络需要的最好解决方案。

  本文概述WirelessHART的主要方面,包括几种使之为无线过程自动化最好选择的设计决策。

  引言

  在2007年九月发布的WirelessHART标准是HART7.0规范的一部分,对过程运行来说,标志着迅速接受无线技术的重要里程碑。WirelessHART提供专门设计用于过程相关应用的鲁棒无线协议,当用户在工厂实施无线时,工业接受标准为用户提供做出正确决策的信心。

  WirelessHART 是什么?

  WirelessHART是用于过程自动化的无线网状网络通信协议。除了保持现有HART设备、命令和工具的能力,它增加了HART协议的无线能力。

  每个WirelessHART网络包括三个主要组成部分:

  ① 连接到过程或工厂设备的无线现场设备。

  ② 使这些设备与连接到高速背板的主机应用程序或其他现有厂级通信网络能通信的网关。

  ③ 负责配置网络、调度设备间通信、管理报文路由和监视网络健康的网管软件。网管软件能和网关、主机应用程序或过程自动化控制器集成到一起。

  该网络使用兼容运行在2.4GHz工业、科学和医药(ISM)频段上的无线电IEEE 802.15.4标准。无线电采用直接序列扩频(DSSS)、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址(TDMA)同步、网络上设备间延控通信(latency-controlled communications)技术。已经证实该技术在现场实验和各种过程控制行业的实际工厂安装中是可行的。

  在网状网络中的每个设备都能作为路由器用于转发其他设备的报文。换句话说,一个设备并不能直接与网关通信,但是可以转发它的报文到下一个最近的设备。这扩大了网络的范围,提供冗余的通信路由从而增加可靠性。网管软件确定基于延迟、效率和可靠性的冗余路由。为确保冗余路由仍是开放的和畅通无阻的,报文持续在冗余的路径间交替。因此,就像因特网一样,如果报文不能到达一个路径的目的地,它会自动重新路由从而沿着一个已知好的、冗余的路径传输而没有数据的损失。

  网状设计也使增加或移动设备容易。只要设备在网络上其他设备的范围内,它就能通信。

  灵活性满足不同应用的要求,WirelessHART协议支持多种报文模式,包括过程和控制值单向发布、异常自发通知、ad-hoc请求/响应和海量数据包的自动分段成组传输(auto-segmented block transfers)。这些能力允许按应用要求定制通信,因此降低功率使用和费用。

  建立在标准上

  作为一种基于标准的技术,WirelessHART反映过程自动化和工业无线行业中最好思想的成就,合作确保过程行业应用中多供应商的智能测量和控制设备的互用性。

  第一个决定是 是否发明一种新协议或建立在已经制订的HART协议。HART通信基金会(HCF)成员快速地认识到包括无线通信能力的加强HART协议是最快、最容易和最小风险的方法——最终用户容易理解和实施的无线解决方案。

  ① 合适。开发HART技术帮助用户解决过程测量和控制中遇到的问题——不管解决方案是有线还是无线,问题都是相同的。现有的各种有线HART设备显示只有极少(如果有)HART通信不能解决的过程应用。从根本上说,HART协议支持在要求和需要时通信,对长电池生命很重要的无线应用来说是非常重要的。其他总线协议要求持续通信,因此消耗电池很快。

  ② 熟悉。全世界已经安装超过24,000,000 个HART设备,用户已经具有一定的HART工具、培训和工作经验。全新懂得无线协议只需要极少的改变。

  ③ 简单。HART技术的流行 部分由于容易实施和使用——质量帮助用户快速得到无线技术的好处。

  ④ 支持&稳定。大量安装基数、供应商销售HART设备和HCF组织的实力提供持续的协议支持保证。

  ⑤ 定时。增加已制订的协议的无线能力,而不是从零开始,极大缩短要求开发和接受无线标准的时间。它也加快了无线设备的实用性,因为制造商能使现有的有线HART生产线适应从而支持WirelessHART。

  ⑥ 低风险。从已制订的,已被实践检验的协议开始能降低技术或开发过程中意外问题的风险,使用户开始使用无线技术时间更短,信心更大。

  使HART通信适应无线通信也提供新标准或其他协议不具有的好处。数百万个已安装的HART设备不再使用板上诊断,因为它们的主机系统不能访问HART数字数据。WirelessHART适配器通过为资产管理系统、历史数据库或其他工具提供新通信路径解码这个“采集”的数据。类似解决方案被压抑的需求鼓励制造商快速开发WirelessHART产品,也鼓励用户适应它们——消除干扰新技术“先有鸡还是先有蛋”的问题。

  工作的正确工具

  无线技术为各种应用提供大量机会——从以前实际或经济上不能实现的测量到提供厂级功能,例如资产和人员跟踪、安全和工人生产力。

  然而,WirelessHART规范小组认识到没有一种技术能满足所有应用。他们的方法集中在没有恰当无线标准存在的核心过程自动化上。

  就像有线HART一样,因此WirelessHART支持各种过程测量和控制应用,它们包括:

  ① 设备和过程监视;

  ② 环境监视、能源管理、规章兼容;

  ③ 资产管理、预测性维护、高级诊断;

  ④ 闭环控制(当合适时)。

  现实中使用由基于最终用户需要的HCF成员公司开发的案例——帮助小组确保最终的规范提供这些支持。

  无线技术补充而不是取代有线仪表,一般两种通信方式同时在工厂运行。WirelessHART技术的向后兼容能力,包括HART命令结构和设备描述语言,因此使用相同的工具很容易支持有线和无线设备。

  WirelessHART也超出有希望设备的“可互换性”,从而提供真正的可互换性。这意味着用户能选择最好的WirelessHART设备而不管制造商,确保兼容设备能在同一个系统中共同工作,互相可以替换而不牺牲主机系统级的功能——就像HART设备现在的功能一样。

  现场总线基金会(FF)和PROFIBUS Nutzerorganisation(PNO)已经与HCF签署一个协议——开发与无线网关通用接口的规范。该目标是确保完全兼容现有有线版本的每个参与者的技术。

  事实上,现在一个或多个可用的有线HART产品支持每个过程自动化的要求。WirelessHART只是简单地增加与HART设备通信的另一种方式。

  可靠性

  WirelessHART在具有密集的基础设施、大型车辆或设备的移动、变化的条件和大量射频(RF)或电磁干扰源的工厂环境下提供可靠通信的几个特点都能引起问题。

  ① 冗余网状路由(空间分集)。具有自组织和自愈特点的WirelessHART网状拓扑使网络保持长期不需要干涉的可靠性和鲁棒性。当干扰或其他障碍物中断通信路径时,网络立刻(自动)重新路由传输从而避免该问题。因为WirelessHART使用优化的路径、冗余的网状拓扑,该好处可用于整个网络。

  ② 信道跳频(频率分集)。像其他使用2.4GHz频段的技术一样,WirelessHART受制于其他几种干扰源,例如,其他网络。为解决这个问题,WirelessHART在IEEE 802.15.4无线电标准定义的16个信道间“跳跃”——克服灵敏干扰而不是强力干扰。在每个传输和信道“黑名单”之前,自动纯信道(clear-channel)评估也能用于避免特定的干扰区域并对其他的干扰最小化。

  ③ 时间同步(时间分集)。在预定时间窗口内配置所有设备到设备的通信,它促进非常可靠的(无冲突)、有效功率的和可扩展的通信,促进互操作性和容易使用。每个报文都有确定的优先级从而确保提供恰当的服务质量(QoS)。固定的时隙也帮助网管程序创建任何应用的最优网络而不需要人为干涉。使用灵活的时隙或异步通信的替代方法能导致重要的用户配置、差的QoS、高功率使用和不可靠的通信。

  ④ 其他技术,例如,DSSS技术(编码分集)和可调传输功率(功率分集),即使在其他无线网络中也帮助WirelessHART提供可靠的通信。


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