厂商：《自动化博览》
  点击数：5662  发布时间：12-03-31 10:09

WirelessHART是面向过程控制和资产管理可靠的协议。近几年，工业过程自动化用户选用WirelessHART协议已超过其它标准，该通信协议从而成为最好的无线传感器网络国际标准。本文较全面论述WirelessHART工业无线传感器网络技术的优点、数据传送技术、时间同步网状网络协议（TSMP）、系统架构、网络系统应用，以及WirelessHART无线网络的组网与设计。

      3.2 适配器

    Wi r e l e s sHART适配器将现有的有线HART设备连接到 WirelessHART网络中。适配器连接到4~20mA，以采集HART信号。一台适配器能够连接多台HART仪表，从而降低了安装成本。适配器能够由回路或电池供电。这样一来，一方面可以充分利用现有设备，另一方面可以扩大应用范围，使得有线HART设备能够实现测量和诊断信息的无线传送，使其功能升级。

    3.3 无线网关

    按照标准，WirelessHART网关由三部分组成。与远方现场设备连接的无线部件称作无线接入点；网络管理器负责配置网络、调度设备之间的通信及监测网络的状态。同时，控制网状网络的连接和管理现场设备的信息安全；网关接口部分负责WirelessHART网络与工厂主干网或主机系统的连接。这三部分可以集成在一起，也可以按任意组合方式或分开。

    WirelessHART网络网状设计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，通过例外报告发出自发性的通知，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。

   4 WirelessHART系统应用

    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把重点放在过程自动化的尚无无线标准的核心功能之上。

    像有线HART技术一样，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）。

    WirelessHART技术将补充而不是取代有线仪表，工厂中两者往往平行工作。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，而无需考察制造商是谁，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。

    WirelessHART设备可以是个独立的装置，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。WirelessHART应用系统构成如图3所示。
  
                   
                        图3 WirelessHART应用系统构成  

   在现场系统应用中，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，使得在已安装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。

    5 WirelessHART无线网络组网与设计

   随着工业无线网络应用范围的扩大，工厂企业开始大规模应用无线网状网络技术。构建一个WirelessHART网状网络是一个不困难的任务。由于设备类型有限以及网状网络具有自组织能力，已不需要进行大量的设计工作，但是随着网络规模的扩大，该技术暴露了某些局限性。从逻辑上讲，大规模网络配置有大量设备，这些设备需要通过网状网络多次“跳跃”后将获取的数据返回给主机。随着跳跃次数的增加，执行时间随之增加。
             
                  

                            图4 使用集群方法WirelessHART网络拓扑  

   大规模网络的管理较为困难，由于无线RF的范围相对较短，需要增加额外的中继器。这样一来，无线网状网络中可能会出现瓶颈，而且故障也会影响网络的较大范围。

   为了克服上述缺陷，将大规模网络划分为几个小型网络或几个集群（Cluster）。由于节点通过几次跳跃就可到达网关然后到主机，所以集群方式减少了整个网络的执行时间。这种简化的网络拓扑形式大大降低了需要中继器的可能性。从而产生了没有瓶颈的可靠而又稳定的网络。由于在网络中消除了瓶颈，并且无需安装高性能的路由器，对电池供电设备的要求也随之降低，大大减少了网络的维护量。

   使用集群方法后，设计的注意力集中于网关的能力。由于WirelessHART通信范围有限，这种方法要求网关尽量安装在靠近现场设备的地方，这样一来，网关至主机的物理连接就成了问题。假如使用铜缆或光缆连接到现场的网关，则采用WirelessHART无线通信节约的成本将被抵消，因此必须消除回程（Backhaul）电缆才能达到进一步节约成本和提高灵活性的目的。菲尼克斯电气公司为了解决这个问题，研发了集成WLAN收发器的WirelessHART智能网关。
  
                  

                            图5 RAD-WHG/WLAN-XD网关应用实例  

   DIN导轨安装的菲尼克斯公司RAD-WHG/WLAN-XD网关包括Wireless HART无线接入点、网络管理器、与WLAN客机连接的网关接口。网关能够连接多至250台Wireless HART现场设备，并能将HART数据转换成Modbus TCP格式，从而很容易集成到几乎所有的资产管理系统。连接可以通过卡上的Ethernet通信口或WLAN客户机收发器完成，HART至Modbus的变换则是自动完成。网关的编程和诊断可以通过手持式HART编程器或嵌入式Web服务器进行。WirelessHART数据采用128位AES标准加密，WLAN数据采用WEP和WPA进行加密。

   综上所述，尽管目前传统的HART设备在石化、电站、食品饮料、石油天然气、水工业/污水处理及其它工业领域的安装量已超过三千万台，但是由于安装电缆的高成本，其中90%绝大部分仪表的有用数据被“困“在现场仪表中，这些有价值的数据不能提供给资产管理系统或其它数据采集系统，HART设备的潜能得不到发挥。WirelessHART 提供了将这些现场仪表连接至主系统的安装简便、可靠而又低成本的方法。使用开放的WirelessHART协议，可极大提升仪表性能，大幅提高工厂的生产力和生产效率。WirelessHART是面向过程测量、过程控制和资产管理全面应用的一种可靠的无线网状网络通信协议。近几年，工业过程自动化用户选用WirelessHART协议已超过其它标准，WirelessHART通信协议从而成为最好的无线传感器网络国际标准。可以相信，WirelessHART通信协议将会得到越来越广泛的应用，加速推进工厂物联网时代的到来。  

    摘自《自动化博览》2012年第三期  

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