WirelessHART

确保过程行业可靠的无线传输

WirelessHART标识

HART(可寻址远程传感器高速通道)是全球智能过程控制仪表的协议规范。全球已有超过3000万台HART兼容设备, 但仅10%的设备充分利用了所有功能。

WirelessHART标准由HART基金会提出,以便用户更高效地利用HART设备。菲尼克斯电气的WirelessHART产品可快速集成至现有的应用中。

WirelessHART:第一个工业应用无线规范

2007年,HART通讯基金会发布了第一个专门为工业应用而设计的无线规范。WirelessHART作为HART 7规范的一部分,是一种节能的无线技术,专门为过程测量应用而设计,无需使用或延长4 - 20 mA信号线。

WirelessHART规范基于稳定可靠的技术。只需一些配置参数即可轻松使用,适用于几乎所有设备型号。

全球无线技术

WirelessHART协议全球通用,采用符合IEEE 802.15.4标准的无线模块和10 mW无线收发器,可在免许可的2.4 GHz ISM频段中实现无线传输。通过符合802.15.4和ZigBee协议的无线模块构建高能效的无线网络。

比较WLAN和WirelessHART信道

比较WLAN和WirelessHART信道

WirelessHART协议定义了OSI模型的顶上四个传输层,能耗低,较其他无线系统具有很大优势。该协议实现可靠的并行运行,为无线信道的优化管理提供无限可能性。

这包括DSSS与FHSS扩频和跳频技术相结合、CCA(空闲信道评估)技术、传输时间短和黑名单功能。

全网状网络

自愈全网状网络  

自愈全网状网络

WirelessHART的主要特性是能够自组织和自配置网状网络, 网络中的每台设备可通过多条不同的路径实现冗余通信。户外覆盖范围约250 m,安装占地通常为50 m到100 m。

这样可确保功能全面的预制网络节点随时可用。全网状网络可完全自组织, 还可自愈,即使在不断变化的环境条件下,也可确保长期的可靠性和可预见性。

网状网络中的设备可自动检测其他设备,测量无线信号的强度,并获取同步数据和跳频数据, 还可根据要求建立和中断与其他设备的连接。网络和网络节点均有唯一的ID,确保多个网络并行运行时不会发生数据误共享或信号误传。

时间同步通信

准确无误的无线信道管理以及功能全面的网络架构取决于数据传输的精确计时。

WirelessHART网络采用时分多址(TDMA)技术来管理通信期间的频段分配。每一次数据传输都发生在一个10 ms的窗口期内(也叫作时隙),并准确地按照预定的时间采用15个信道中的一个进行传输。倘若没有通信,设备即进入待机模式,以保存能量(多数WirelessHART设备以电池驱动)。

安全的信息传输

通过加密、验证和数据完整性功能确保信息安全。128位AES加密可防止第三方非法访问信息。

在验证过程中,根据数据包源地址检查发送者身份的合法性,通过32位的信息完整性代码(MIC)保护数据。完整性保证还确保信息以同一个信息完整性代码传输,且信息保持不变。此外,跳频采用伪随机码序列,在一定程度上保护了信息安全。

WirelessHART网络

为确保构建安全网络,所有设备在加入网络前须经过验证。网络设备通常以小数据包即所谓的信标发送和发布网络信息。

新设备加入网络前,首先须接收一个数据包。收到一个信标后,新设备向更高级别的WirelessHART网络管理员发送加入请求。

新网络设备的验证过程

新网络设备的验证过程

加入请求由设备的编程网络ID、加入口令和其他验证信息组成。网络管理员收到网络ID和加入口令后,向新设备发送验证信息、网络通信路径和设备传输数据的时隙。

设备完全加入网络后,开始传输和发布数据。

三种WirelessHART设备类型

WirelessHART网关WirelessHART测量设备WirelessHART适配器
WirelessHART关WirelessHart测量设备WirelessHART适配器
功能范围无线接入点
+
网络管理员
+
网关
无线模块
+
测量模块
+
电源
线模块
+
连接
现有设备
应用领域连接至主系统无线测量连接有线测量设备至WirelessHART

根据HART规范,WirelessHART网络包括三个主要组成部分:

  1. 无线模块(无线接入点),用于连接现场设备。
  2. 作为中央控制单元(网络管理员)的软件,用于控制网络连接、确保网络安全和验证现场设备。网络管理员还可通过网络优化数据通信,为每台设备提供必要的资源,在所需的时间间隔内传输数据。
  3. 实际网关,作为系统网络或主网络与WirelessHART网络之间的网关。这三个组成部分可能同时出现在一个数据包中或者以任意组合使用,之后可能会增加几个接入点。

WirelessHART设备(通常是无线测量设备)包含一个具有测量或监控功能的无线模块, 使现有的设备可轻松扩展,并可立即在新系统中使用。

之前由于布线成本或环境限制而难以靠近的测量点,现在可以轻松集成。WirelessHART可通过太阳能、电线、电路或蓄电池供电。

WirelessHART适配器用于将现有的有线HART设备连接至WirelessHART网络。适配器连接至现有的4-20 mA接线,在保持完好和运行的状态下收集HART信号。

1个WirelessHART适配器可从多个设备收集HART信号,从而减少安装成本。WirelessHART适配器可通过电线、电路或蓄电池供电。适配器主要应用于从之前安装的HART设备收集HART信号。这些HART设备与不具有HART功能的主机相连。

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