HART現場總線走向WirelessHART現場網絡

繆學勤

(上海工業自動化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

2011年，國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)合作成立JWC7第7聯合工作組，著手將信息領域的物聯網技術擴展到工業領域。該聯合工作組正在制定ISO/IEC 29182傳感器網絡國際標準。該標準在總論中指出，過去的傳感和控制網絡(例如現場總線)依賴于專用通信設備，具有代表性的結構是采用固定接線的閉合系統。該系統通過小型或無源方法連接至外部信息流，并隨著新一代信息技術快速進入工業自動化領域。近年來，傳感和控制網絡廣泛采用諸如無線通信、基于上下文的處理、多模態數據、開放服務環境以及大范圍內大規模集成等新技術［1］。工業傳感器網絡技術將會得到快速發展。

目前，無線通信技術已能做到與有線通信技術相當的水平，有線技術與無線技術的融合，將使得現場總線向現場網絡發展。現場網絡能夠解決現場總線一些過去難以解決的技術難點。艾默生等公司現已在這方面做了開創性的工作。

1 HART現場總線

可尋址遠程傳感器數據公路通信協議(highway addressable remote transducer，HART)最早于1986年由Rosemount公司開發，得到了200多家儀表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金會。

HART協議采用基于Bell202通信標準的頻移鍵控FSK技術，在現有的4～20 mA模擬信號上迭加FSK信號，以1200Hz信號表示邏輯1，以2200Hz信號表示邏輯0。它能同時進行模擬信號與數字信號的雙向通信而互不干擾。HART協議還能在一根雙絞線上以全數字的方式通信，支持15個現場設備的多站網絡，并且能對現場儀表的各項特性進行清楚描述。

由于HART數據能夠與通常使用的4～20 mA信號共享同一根雙絞線，從而簡化了接線方式和采集所有數據所需的導線數量。因為HART儀表既具有常規模擬性能，又具有數字性能，所以HART設備可以向后兼容不具有HART能力的現有主系統。事實上，目前已安裝的HART設備90%都連接到不具有利用HART數據能力的傳統主系統。在應用過程中，為了便于組態，這種HART設備可以使用公共的編程工具，能夠賦予儀表更多的智能功能。因此，與傳統的模擬儀表相比，該類HART儀表具有較強的價格優勢。HART儀表的上述優點吸引了世界各地廣大的最終用戶。到目前為止，HART設備的安裝量已超過3000萬臺。2001年，HART通信協議正式成為IEC 61158第四版現場總線標準的第20種類型的現場總線。

多年來，HART通信基金會一直在有組織地進行HART協議的創新開發工作，一直在收集最終用戶在使用HART協議后的反饋意見，不斷集成HART儀表供應商的創新理念。經過近20年的發展，HART通信基金會于2007年6月推出了HART 7通信協議版本。該協議在物理層增加了新的無線物理介質，從而產生了WirelessHART通信協議。該協議使得過程測量和控制領域產生了新的變革。

2 WirelessHART現場網絡

WirelessHART通信協議構筑在 IEEE 802.15.4無線平臺上［1－2］，其工作頻率為專用于工業、科技和醫療(ISM)應用的無需許可證的2.4 GHz寬帶信道。該頻率采用直接序列擴頻技術(direct sequence spread spectrum，DSSS)和跳頻擴頻技術(freguercy-hopping spread specturn，FHSS)來保證網絡的安全和可靠性，并采用時分多址(TDMA)的同步、隱式報文控制通信技術進行網絡設備通信。它強制規定所有的兼容設備必須支持可互操作性，不同供應商提供的WirelessHART設備無需進行系統操作就能實現互換，即連即用。WirelessHART向后兼容現有的HART設備和應用。傳統HART在應用過程中，無需進行任何軟件升級就可以利用WirelessHART通信協議。該協議已成為IEC 62591 國際標準［2－3］。

2.1 時間同步網狀網絡協議(TSMP)

WirelessHART采用網狀網絡拓撲結構。網狀網絡的每一個裝置都可為其他裝置的報文提供路由功能。換句話說，裝置無需直接與網關通信而只需將其發送的報文傳遞到最近的下一個裝置。這樣就擴展了網絡范圍，并增強了冗余通信路由能力，最終增強了網絡的可靠性。

為了保證冗余路由途徑保持開放和暢通，報文將持續在冗余路徑之間進行切換選擇。如果一條報文無法通過某一路由到達目的地，它將自動重新路由到另一條正確的冗余路徑上，而且數據不會丟失。因此，WirelessHART網狀網絡具有自組織和自愈特性，即動態組網功能。

WirelessHART真正的優勢是時間同步網狀網絡協議(time synchronized mesh protocol，TSMP)。該協議提供冗余技術，并保證在時間、頻率以及空間上不會中斷，從而確保在極其惡劣的無線環境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自組織、自愈網狀網絡路由所需的智能功能，其結果是可以構筑一個短程(廠內50～100 m)無線網絡。該網絡無需專門技術，安裝容易，能夠自動適應環境的各種變化，并能按需進行擴展。

TSMP的時間同步通信、跳頻、節點自動加入和網絡自動構建、全冗余網狀網絡路由以及安全報文傳送等五項技術是確保端-端網絡可靠性和提高電源效率的關鍵因素。

使用時間同步通信后，網絡中的每臺設備都支持精準的時間概念，這樣每臺設備就能與其相鄰設備保持同步。為了避免產生碰撞，用來提高電源效率和完成可擴展的通信所有設備以及設備到設備的通信都應該在一個預調度窗口(長度為10 ms)內產生。除按時間調度傳送外，TSMP也會根據不同的頻率調度進行傳送，這樣就極大地提高了有效帶寬，同時也有效地減少了電源的消耗，使得設備使用小容量電池就能維持運行幾年。WirelessHART頻率-時間變化示意圖如圖1所示。

圖1 WirelessHART頻率-時間變化示意圖Fig.1 WirelessHART is diverse in frequency and time

TSMP網絡的主要優點是它的自組織能力。由于實現了“全網狀網絡”拓撲結構，使得每臺設備都具有多條冗余通信路徑。網絡中不存在簡化功能或沒有路由的節點。全網狀網絡拓撲結構具有自組織和自愈特性，在環境發生變化的情況下，仍然能使網絡維持長期的、不許干預的可靠性和預測性。

每臺設備都具有發現相鄰設備、測量RF信號強度以及采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構建或斷開與相鄰設備的鏈接。每個網絡都由唯一的ID地址定義，然后與節點一起綁定至網絡。這就使得多個網絡能夠同時存在，無需分享數據或出錯路由的報文。

2.2 WirelessHART傳送數據技術

WirelessHART采用跳頻擴頻(FHSS)和直接序列擴頻(DSSS)相組合的無線傳輸技術，以提供干擾抑制(FHSS)和編碼增益(DSSS)，從而構建強有力的抗干擾處理機制［4］。

在FHSS傳輸系統中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據偽隨機序列改變頻率。這個偽隨機系列是幾個頻率的列表，發送器通過應用跳頻序列來選擇傳輸的序列。發送器頻率從一個子信道跳到另一個子信道上。在事先定義好的時間內，首先在每個信道發送突發短數據，然后應用小數量的時間跳躍到下一個頻率(跳躍時間)。當這個頻率列表被使用完時，發送器將重復這個序列。接收器與發送器之間跳頻序列同步進行。簡單地講，發送器和接收器按照事先約定好的、只有雙方知道的順序不斷改變無線傳輸的頻率。FHSS傳輸系統通過不斷改變傳輸頻率來避開干擾源。對于具有較強干擾的工業過程應用場合，FHSS可以進行長距離信號傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強。因此，FHSS是一種非常可靠的傳輸數據技術。

直接序列擴頻(DSSS)技術是用于ISM頻段的另一種傳輸數據方法。DSSS是在發送端用高碼率的擴頻碼序列擴展信號的頻譜技術，在接收端用相同的擴頻碼序列進行解調，把被擴展的擴頻信號還原成原始的信息。換句話說，每個信息位對應生成一個假的任意代碼，這個代碼會把有用的窄頻信號擴成寬頻信號。由于擴頻導致傳輸能量分散，導致某個特定頻率信號強度的降低。這個寬頻信號通過天線發送，由使用相同擴頻代碼發生器的接收器接收。當干擾信號進入無線傳輸時，這個窄頻干擾信號便通過擴頻代碼發生器傳輸到接收器，此時它已被轉換成寬頻信號(噪聲)。DSSS適用于中等距離信號的傳輸，傳輸速率較高，且可以傳輸大流量的數據。

2.3 WirelessHART信息安全技術

WirelessHART采用強大的信息安全措施，包括信息加密、文電鑒別和信息完整性以及縱深防御策略等技術［5］，以提供最大程度的網絡和數據保護。

信息加密、文電鑒別和信息完整性這些技術簡要介紹如下。

①信息加密技術:標準的128位高級加密標準(advanced encryption standard，AES)加密，每條報文都有唯一的加密密鑰，保護數據不被截獲。

②文電鑒別技術:通過使用32位報文完整性碼(message integrity code，MIC)保護數據包源地址，文電鑒別能夠驗證發送者的有效性，實現對每個數據包的驗證。

③信息完整性技術:完整性能夠確保報文通過同一的MIC毫不變更地進行傳送。

3 WirelessHART系統架構與設備類型

3.1 WirelessHART 系統架構

WirelessHART核心技術經過多年的研發已相當成熟，并且現在還在不斷地完善中。它的靈活性和適應能力使得它能夠很好地適應惡劣的工業環境。WirelessHART系統架構如圖2所示。

圖2 WirelessHART系統架構Fig.2 WirelessHART system architecture

3.2 WirelessHART 設備類型

WirelessHART設備主要分為無線現場設備、適配器和網關這三種類型。

①無線現場設備

無線現場設備與過程或工廠設施連接。該設備可以是一臺具有內置WirelessHART的設備，也可以是與WirelessHART適配器相連的具有HART功能的設備。這就使得現有工廠很容易擴展或在新的安裝中能夠快速利用無線技術。由于電纜成本或環境限制，過去不能訪問的測量點，現在能夠很容易地采集到數據。同時，無線現場設備可以使用多種不同電源供電，包括太陽能、交流電、回路供電或電池。

②適配器

WirelessHART適配器用來將現有的有線HART設備連接到WirelessHART網絡中。適配器連接到4～20 mA，以采集HART信號。一臺適配器能夠連接多臺HART儀表，從而降低了安裝成本。適配器能夠由回路或電池供電。這樣，一方面可以充分利用現有設備;另一方面可以擴大應用范圍，使得有線HART設備能夠實現測量和診斷信息的無線傳送，使其功能升級。

③無線網關

按照標準，WirelessHAR網關由無線接入點、網絡管理器和網關接口三部分組成［6］。與遠方現場設備連接的無線部件稱作無線接入點。網絡管理器一方面負責配置網絡、調度設備之間的通信以及監測網絡的狀態;另一方面負責控制網狀網絡的連接和管理現場設備的信息安全。網關接口負責WirelessHART網絡與工廠主干網或主機系統的連接。這三部分可以集成在一起，也可以按任意方式組合或分開。

WirelessHART網絡網狀設計使得添加或移動設備簡便易行。只要設備處于網絡上其他設備的距離范圍之內，它便可以通信。

4 WirelessHART系統應用

目前，無線技術的應用領域十分廣泛，這包括從加入以前由于物理或經濟上的原因而無法進行的測量，到獲得全廠范圍的功能，如資產和人員跟蹤、安全性和員工工作效率。WirelessHART把重點放在了過程自動化中尚無無線標準的核心功能之上。

與有線HART技術一樣，WirelessHART支持全系列的過程監控和控制應用，主要包括以下幾個方面:

①設備和過程監控;

②環境監測、能源管理、法規遵從;

③資產管理、預防性維護、先進的診斷;

④閉環控制(在一定情況下)。

WirelessHART技術將補充而不是取代有線儀表，工廠中兩者往往平行工作。WirelessHART技術的向后兼容，包括HART指令結構和設備描述語言，使得用戶使用同一工具便可以同時支持有線和無線設備。WirelessHART設備還希望超越“互換性”，以提供真正的互操作性。這意味著用戶可以選擇最好的WirelessHART設備，而無需考察制造商是誰，還能夠保證兼容設備可以在一個系統中協同工作，并可相互替代而在主機系統一級依然不喪失功能。

WirelessHART設備可以是一個獨立的裝置，其消除了到控制系統的模擬連接。該設備可安裝在工廠的任何地方，而無需線纜的花費。過程變量(process variable，PV)和HART數據通過WirelessHART網關與控制或資產管理系統連接。

在現場系統應用中，有線HART+WirelessHART兩種技術相結合，能夠提供具有成本效益、低風險的通信解決方案。這兩種技術協同工作，使得在已安裝HART設備上的投資得到保護，而且可以快速、經濟地增加額外的HART設備。

WirelessHART應用系統構成示意圖如圖3所示［7］。

圖3 WirelessHART應用系統構成示意圖Fig.3 WirelessHART application system architecture

5 WirelessHART無線網絡組網與設計

隨著工業無線網絡應用范圍的擴大，工廠企業開始大規模應用無線網狀網絡技術。因此，構建一個WirelessHART網狀網絡是一個不困難的任務。由于設備類型有限以及網狀網絡具有自組織能力，設計者已不需要進行大量的設計工作。但隨著網絡規模的擴大，該技術暴露了某些局限性。從邏輯上講，大規模網絡配置有大量設備，這些設備需要通過網狀網絡多次“跳躍”后將獲取的數據返回給主機。隨著跳躍次數的增加，執行時間也隨之增加。

大規模網絡的管理較為困難。由于無線RF的范圍相對較短，需要增加額外的中繼器。這樣一來，無線網狀網絡中可能會出現瓶頸，而且故障也會影響網絡的較大范圍。

為了克服上述缺陷，將大規模網絡劃分為幾個小型網絡或幾個集群(cluster)，基于集群方法的WirelessHART網絡拓撲圖如圖4所示。

圖4 基于集群方法的WirelessHART網絡拓撲圖Fig.4 WirelessHART topology based on clustering

由于節點經過幾次跳躍就可到達網關，然后到達主機，所以集群方式減少了整個網絡的執行時間。這種簡化的網絡拓撲形式大大降低了需要中繼器的可能性，從而產生了沒有瓶頸的可靠而又穩定的網絡。由于在網絡中消除了瓶頸，并且無需安裝高性能的路由器，因此對電池供電設備的要求也隨之降低，大大減少了網絡的維護量。

使用集群方法后，設計的注意力集中于網關的能力。由于WirelessHART通信范圍有限，這種方法要求網關盡量安裝在靠近現場設備的位置，這樣，網關至主機的物理連接就成了問題。

假如使用銅纜或光纜連接到現場的網關，則采用WirelessHART無線通信節約的成本將被抵消。因此，必須避免回程(backhaul)電纜的使用，才能達到進一步節約成本和提高靈活性的目的。菲尼克斯電氣公司為了解決這個問題，研發了集成WLAN收發器的WirelessHART智能網關［8］。DIN導軌安裝的智能網關包括WirelessHART無線接入點、網絡管理器以及與WLAN客機連接的網關接口。網關能夠連接多達250臺的WirelessHART現場設備，并能將HART數據轉換成Modbus TCP格式，從而很容易集成到幾乎所有的資產管理系統。網關的編程和診斷可以通過手持式HART編程器或嵌入式Web服務器進行。WirelessHART數據采用128位AES標準加密，WLAN數據采用有線等效保密(wired equivalent priracy，WEP)和WiFi網絡安全存取(WiFi protected access，WPA)進行加密。

集成WLAN收發器的WirelessHART智能網關應用系統如圖5所示。

圖5 WirelessHART智能網關應用系統Fig.5 Application system of wireless HART intelligent gateway

6 結束語

盡管目前傳統的HART設備在石化、電站、食品飲料、石油天然氣、水工業/污水處理以及其他工業領域的安裝量已超過3000萬臺，但是由于安裝電纜的高成本，絕大部分儀表的有用數據被“困“在現場儀表中。這些有價值的數據不能提供給資產管理系統或其他數據采集系統，HART設備的潛能得不到發揮。WirelessHART提供了將這些現場儀表連接至主系統的方法。該方法簡便、可靠且低成本。使用開放的WirelessHART通信協議，可極大地提升儀表的性能，大幅提高工廠的生產力和生產效率。WirelessHART是面向過程測量、過程控制和資產管理全面應用的一種可靠的無線網狀網絡通信協議。近年來，工業過程自動化用戶選用WirelessHART通信協議已超過其他標準，WirelessHART通信協議從而成為目前采用最多的無線傳感器網絡國際標準。

正是由于WirelessHART現場網絡具有極其明顯的優越性，其他現場總線也紛紛開展這方面的工作。早在2007年6月，FF基金會發布了基金會遠程運營管理方案。該方案集成了有線設備、遠程 I/O、ISA 100.11a和WirelessHART，保證可以直接獲取設備信息，并進行診斷。有力推進有線與無線高速以太網(high speed Ethernet，HSE)與有線與無線傳感網絡的集成以及工業無線應用，能夠大大提升工廠資產管理的價值［9］。

近兩年，基金會遠程運營管理方案得到了成功應用，目前正在大力推廣中。我們可以相信，WirelessHART工業無線傳感器網絡技術將會得到越來越廣泛的應用，有線技術與無線技術將會進一步融合，以加速推進工廠物聯網時代的到來。

［1］ISO/IEC 29182 －1.Information technology — sensor networks:sensor network reference architecture(SNRA)—part 1:general overview and requirements［S］.ISO/IEC JTC1/WG7 Working Group on Sensor Network.2011 －04 －05.

［2］宋文，王兵，周應賓.無線傳感器網絡技術與應用［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［3］Phoenix Contact GmbH ＆ Co KG.Getting the most out of your WirelessHART system［R］.White Paper，2011.

［4］Gerrit L.Wireless introduction［R］.HCF Technical Note，2010.

［5］Neil P，Jeff P.Strength-in-depth security for WirelessHART and Wi-Fi networks［J］.Industrial Ethernet Book，2011(66):32 －35.

［6］Gerrit L.WirelessHART device types—gateways［R］.HCF Technical Note，2010.

［7］HART Communication Foundation.WirelessHART—the first simple，reliable and secure wireless standard for process monitoring and control［R］.HCF Brochures，2010:3 －5.

［8］Ira Sharp.Technical update:why WirelessHART?［J］.Control Engineering，2011(2).

［9］Fieldbus Foundation.Foundation for remote operations management，solution integrates HSE and industry-standard wired and wireless applications［R］.Fieldbus Report，Fall，2011:6 －8.