WirelessHART

過程工業中可靠的無線傳輸

WirelessHART 標誌

HART(高速通道可定址遠端轉換器)是智慧過程檢測儀錶的全球協定標準。現在世界上各類系統中安裝有 3000 萬餘台相容 HART 的設備。但只有 10% 的設備發揮了它的全部潛能。

WirelessHART 標準由 HART 基金會開發,使用戶能夠更有效地發揮啟用 HART 的設備的能力。菲尼克斯電氣的 WirelessHART 產品專為與現有應用快速整合而設計。

WirelessHART:首個用於工業應用的無線標準

2007 年,HART 通訊基金會發佈了首部專為工業應用開發的無線標準。WirelessHART 是 HART 7 標準的子集,為一種針對過程量測應用設計的節能無線技術,消除或增加了 4 至 20 mA 訊號線。

WirelessHART 標準基於穩定可靠的技術。本標準只需配置幾個參數即可輕鬆使用,且可用於幾乎所有設備類型。

全球性無線技術

利用 WirelessHART,以配有 10 mW 無線收發機的 IEEE 802.15.4 無線模組的形式進行無線傳輸,無需許可即可在全球範圍內的 2.4 GHz ISM 頻帶內使用。符合 802.15.4 和 ZigBee 的無線模組通常用作節能無線網路的基礎。

WLAN 和 WirelessHART 通道的比較

WLAN 和 WirelessHART 通道的比較

WirelessHART 協定使用 OSI 模型頂端四層,相較其他無線系統優勢明顯,功耗也較低。它實現了可靠的並行運行,並為優化無線通道的管理提供了多種可能。

這包括 DSSS 及 FHSS 擴頻和跳頻方法、CCA(空閒通道評估)技術、短傳輸時間和加入黑名單功能。

全網狀網路

能夠自我修復的全網狀網路  

能夠自我修復的全網狀網路

WirelessHART 的主要特性是自行建立和配置網狀網路的能力。這使得網路中的每個終端設備均可通過多個不同路徑,在有冗餘的情況下進行通信。在此,露天範圍約為 250 公尺,裝置物理規格一般為 50 到 100 公尺。

這保證了功能完備且準備就緒的網路節點隨時可用。全網狀網路能夠以全自動方式完成組織。它們具有自動修復功能,即使在不斷變化的環境條件下,也可保證長期可靠性和可預測性。

網狀網路中的設備可自動探測到其他設備、量測無線訊號的強度、獲取同步和跳頻資料。它們也可根據要求建立或中斷與其他設備的連接。網路和網路節點均具有獨立 ID,這使得多個網路可以並行運行,不會出現意外共用資料或對訊號進行錯誤路由的情況。

時間同步通訊

無錯誤無線通道管理和功能完備的網路構建有賴於資料傳輸的精確定時。

WirelessHART 採用了時分多址 (TDMA) 管理隨時間變化使用頻譜的方式。每次傳輸均在 10 ms 的窗口(時隙)中,通過 15 個通道之一進行,定時非常準確。在無通訊的情況下,設備將進入待機模式以節能(大多數設備為電池供電)。

安全的資訊傳輸

資訊安全通過加密、認證、資料完整性功能保證。128 位元 AES 加密保護資料免於第三方未授權存取。

認證步驟中,會根據資料包來源位址檢查發送方身份有效性,該位址通過通稱為 32 位元訊息完整性代碼 (MIC) 保護。對完整性的保證也確保了資訊傳輸時不會被相同的 MIC 更改。此外,由於偽隨機跳頻序列,跳頻在某種程度上保證了資料安全。

WirelessHART 網路

為確保形成的網路的安全性,所有設備加入網路前必須經過認證。網路設備定時以小型資料包(通稱信標)的形式發送和發佈網路資訊。

如需加入網路,新設備必須首先接受到這些資料包其中之一。新設備收到信標之後會立即向較高級的 WirelessHART 網路管理器發送加入請求。

新網路設備認證過程

新網路設備認證過程

加入請求包括經過程式設計的設備網路 ID、連接關鍵字和其他識別資訊。如網路 ID 和連接關鍵字為網路管理器所接受,它回應新設備的內容包括認證資訊、網路中的通信路徑,以及設備應傳輸資料的時隙。

此後,設備完全加入網路,並可開始傳輸和發佈資料。

三種 WirelessHART 設備類型

WirelessHART 閘道WirelessHART 量測設備WirelessHART 轉接器
WirelessHART 閘道WirelessHart 量測設備WirelessHART 轉接器
功能範圍無線存取點
+
網路管理器
+
閘道
無線模組
+
量測模組
+
電源
無線模組
+
現有設備的
連接
應用領域連接到主系統無線量測有線量測設備到
WirelessHART 的連接

根據 HART 標準,所謂 WirelessHART 閘道是一種包含三種元件的設備:

  1. 無線模組(無線存取點),連接單獨的現場設備。
  2. 該軟體作為中心控制單元(網路管理器),控制網路連接,確保網路安全,對現場設備進行認證。網路管理器也會對資料流量進行優化,並在所需的時間間隔,為各個設備提供傳輸資料所必要的資源。
  3. 目前的閘道用作系統網路或主系統與 WirelessHART 網路之間的介面。這三種元件可能處於同一個包裝內並可任意組合使用,後續也可能加入數個存取點。

WirelessHART 設備(通常是無線量測設備)包括配有量測或監測功能的無線模組。它們使得現有的系統可以方便地進行擴展,並可立即用於新系統中。

之前由於接線成本或環境限制無法進行存取的量測點現在可以輕鬆整合。WirelessHART 設備可由太陽能、線路、回路或電池供電。

WirelessHART 轉接器用於將現有有線 HART 設備連接到 WirelessHART 網路。轉接器與現有的 4 至 20 mA 接線連接,以在其完整且功能正常時收集 HART 訊號。

一台 WirelessHART 轉接器可以從多台設備收集 HART 訊號,從而降低安裝成本。WirelessHART 轉接器可由太陽能、線路、回路或電池供電。轉接器的主要用途是從之前安裝的、連接到無 HART 能力的主機上的 HART 設備上收集訊號。

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