繆學(xué)勤

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，上海 200233)

0 引言

2011年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)合作成立JWC7第7聯(lián)合工作組，著手將信息領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域。該聯(lián)合工作組正在制定ISO/IEC 29182傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在總論中指出，過(guò)去的傳感和控制網(wǎng)絡(luò)(例如現(xiàn)場(chǎng)總線)依賴于專用通信設(shè)備，具有代表性的結(jié)構(gòu)是采用固定接線的閉合系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)小型或無(wú)源方法連接至外部信息流，并隨著新一代信息技術(shù)快速進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。近年來(lái)，傳感和控制網(wǎng)絡(luò)廣泛采用諸如無(wú)線通信、基于上下文的處理、多模態(tài)數(shù)據(jù)、開放服務(wù)環(huán)境以及大范圍內(nèi)大規(guī)模集成等新技術(shù)［1］。工業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)得到快速發(fā)展。

目前，無(wú)線通信技術(shù)已能做到與有線通信技術(shù)相當(dāng)?shù)乃?，有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)的融合，將使得現(xiàn)場(chǎng)總線向現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠解決現(xiàn)場(chǎng)總線一些過(guò)去難以解決的技術(shù)難點(diǎn)。艾默生等公司現(xiàn)已在這方面做了開創(chuàng)性的工作。

1 HART現(xiàn)場(chǎng)總線

可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路通信協(xié)議(highway addressable remote transducer，HART)最早于1986年由Rosemount公司開發(fā)，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(huì)。

HART協(xié)議采用基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控FSK技術(shù)，在現(xiàn)有的4～20 mA模擬信號(hào)上迭加FSK信號(hào)，以1200Hz信號(hào)表示邏輯1，以2200Hz信號(hào)表示邏輯0。它能同時(shí)進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的雙向通信而互不干擾。HART協(xié)議還能在一根雙絞線上以全數(shù)字的方式通信，支持15個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多站網(wǎng)絡(luò)，并且能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的各項(xiàng)特性進(jìn)行清楚描述。

由于HART數(shù)據(jù)能夠與通常使用的4～20 mA信號(hào)共享同一根雙絞線，從而簡(jiǎn)化了接線方式和采集所有數(shù)據(jù)所需的導(dǎo)線數(shù)量。因?yàn)镠ART儀表既具有常規(guī)模擬性能，又具有數(shù)字性能，所以HART設(shè)備可以向后兼容不具有HART能力的現(xiàn)有主系統(tǒng)。事實(shí)上，目前已安裝的HART設(shè)備90%都連接到不具有利用HART數(shù)據(jù)能力的傳統(tǒng)主系統(tǒng)。在應(yīng)用過(guò)程中，為了便于組態(tài)，這種HART設(shè)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(tǒng)的模擬儀表相比，該類HART儀表具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。HART儀表的上述優(yōu)點(diǎn)吸引了世界各地廣大的最終用戶。到目前為止，HART設(shè)備的安裝量已超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)。2001年，HART通信協(xié)議正式成為IEC 61158第四版現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的第20種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。

多年來(lái)，HART通信基金會(huì)一直在有組織地進(jìn)行HART協(xié)議的創(chuàng)新開發(fā)工作，一直在收集最終用戶在使用HART協(xié)議后的反饋意見，不斷集成HART儀表供應(yīng)商的創(chuàng)新理念。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，HART通信基金會(huì)于2007年6月推出了HART 7通信協(xié)議版本。該協(xié)議在物理層增加了新的無(wú)線物理介質(zhì)，從而產(chǎn)生了WirelessHART通信協(xié)議。該協(xié)議使得過(guò)程測(cè)量和控制領(lǐng)域產(chǎn)生了新的變革。

2 WirelessHART現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)

WirelessHART通信協(xié)議構(gòu)筑在 IEEE 802.15.4無(wú)線平臺(tái)上［1－2］，其工作頻率為專用于工業(yè)、科技和醫(yī)療(ISM)應(yīng)用的無(wú)需許可證的2.4 GHz寬帶信道。該頻率采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(direct sequence spread spectrum，DSSS)和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)(freguercy-hopping spread specturn，F(xiàn)HSS)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠性，并采用時(shí)分多址(TDMA)的同步、隱式報(bào)文控制通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信。它強(qiáng)制規(guī)定所有的兼容設(shè)備必須支持可互操作性，不同供應(yīng)商提供的WirelessHART設(shè)備無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)操作就能實(shí)現(xiàn)互換，即連即用。WirelessHART向后兼容現(xiàn)有的HART設(shè)備和應(yīng)用。傳統(tǒng)HART在應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)需進(jìn)行任何軟件升級(jí)就可以利用WirelessHART通信協(xié)議。該協(xié)議已成為IEC 62591 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［2－3］。

2.1 時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TSMP)

WirelessHART采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)裝置都可為其他裝置的報(bào)文提供路由功能。換句話說(shuō)，裝置無(wú)需直接與網(wǎng)關(guān)通信而只需將其發(fā)送的報(bào)文傳遞到最近的下一個(gè)裝置。這樣就擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)范圍，并增強(qiáng)了冗余通信路由能力，最終增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

為了保證冗余路由途徑保持開放和暢通，報(bào)文將持續(xù)在冗余路徑之間進(jìn)行切換選擇。如果一條報(bào)文無(wú)法通過(guò)某一路由到達(dá)目的地，它將自動(dòng)重新路由到另一條正確的冗余路徑上，而且數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。因此，WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自組織和自愈特性，即動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能。

WirelessHART真正的優(yōu)勢(shì)是時(shí)間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(time synchronized mesh protocol，TSMP)。該協(xié)議提供冗余技術(shù)，并保證在時(shí)間、頻率以及空間上不會(huì)中斷，從而確保在極其惡劣的無(wú)線環(huán)境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自組織、自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由所需的智能功能，其結(jié)果是可以構(gòu)筑一個(gè)短程(廠內(nèi)50～100 m)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)無(wú)需專門技術(shù)，安裝容易，能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境的各種變化，并能按需進(jìn)行擴(kuò)展。

TSMP的時(shí)間同步通信、跳頻、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建、全冗余網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由以及安全報(bào)文傳送等五項(xiàng)技術(shù)是確保端-端網(wǎng)絡(luò)可靠性和提高電源效率的關(guān)鍵因素。

使用時(shí)間同步通信后，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)設(shè)備都支持精準(zhǔn)的時(shí)間概念，這樣每臺(tái)設(shè)備就能與其相鄰設(shè)備保持同步。為了避免產(chǎn)生碰撞，用來(lái)提高電源效率和完成可擴(kuò)展的通信所有設(shè)備以及設(shè)備到設(shè)備的通信都應(yīng)該在一個(gè)預(yù)調(diào)度窗口(長(zhǎng)度為10 ms)內(nèi)產(chǎn)生。除按時(shí)間調(diào)度傳送外，TSMP也會(huì)根據(jù)不同的頻率調(diào)度進(jìn)行傳送，這樣就極大地提高了有效帶寬，同時(shí)也有效地減少了電源的消耗，使得設(shè)備使用小容量電池就能維持運(yùn)行幾年。WirelessHART頻率-時(shí)間變化示意圖如圖1所示。

圖1 WirelessHART頻率-時(shí)間變化示意圖Fig.1 WirelessHART is diverse in frequency and time

TSMP網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)是它的自組織能力。由于實(shí)現(xiàn)了“全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每臺(tái)設(shè)備都具有多條冗余通信路徑。網(wǎng)絡(luò)中不存在簡(jiǎn)化功能或沒有路由的節(jié)點(diǎn)。全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有自組織和自愈特性，在環(huán)境發(fā)生變化的情況下，仍然能使網(wǎng)絡(luò)維持長(zhǎng)期的、不許干預(yù)的可靠性和預(yù)測(cè)性。

每臺(tái)設(shè)備都具有發(fā)現(xiàn)相鄰設(shè)備、測(cè)量RF信號(hào)強(qiáng)度以及采集同步和跳頻信息的智能功能，從而能構(gòu)建或斷開與相鄰設(shè)備的鏈接。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都由唯一的ID地址定義，然后與節(jié)點(diǎn)一起綁定至網(wǎng)絡(luò)。這就使得多個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)存在，無(wú)需分享數(shù)據(jù)或出錯(cuò)路由的報(bào)文。

2.2 WirelessHART傳送數(shù)據(jù)技術(shù)

WirelessHART采用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)相組合的無(wú)線傳輸技術(shù)，以提供干擾抑制(FHSS)和編碼增益(DSSS)，從而構(gòu)建強(qiáng)有力的抗干擾處理機(jī)制［4］。

在FHSS傳輸系統(tǒng)中，工作頻段被分割成一系列子信道，載波根據(jù)偽隨機(jī)序列改變頻率。這個(gè)偽隨機(jī)系列是幾個(gè)頻率的列表，發(fā)送器通過(guò)應(yīng)用跳頻序列來(lái)選擇傳輸?shù)男蛄?。發(fā)送器頻率從一個(gè)子信道跳到另一個(gè)子信道上。在事先定義好的時(shí)間內(nèi)，首先在每個(gè)信道發(fā)送突發(fā)短數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用小數(shù)量的時(shí)間跳躍到下一個(gè)頻率(跳躍時(shí)間)。當(dāng)這個(gè)頻率列表被使用完時(shí)，發(fā)送器將重復(fù)這個(gè)序列。接收器與發(fā)送器之間跳頻序列同步進(jìn)行。簡(jiǎn)單地講，發(fā)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(wú)線傳輸?shù)念l率。FHSS傳輸系統(tǒng)通過(guò)不斷改變傳輸頻率來(lái)避開干擾源。對(duì)于具有較強(qiáng)干擾的工業(yè)過(guò)程應(yīng)用場(chǎng)合，F(xiàn)HSS可以進(jìn)行長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸，傳輸速率較低，但抗干擾能力極強(qiáng)。因此，F(xiàn)HSS是一種非?？煽康膫鬏敂?shù)據(jù)技術(shù)。

直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)是用于ISM頻段的另一種傳輸數(shù)據(jù)方法。DSSS是在發(fā)送端用高碼率的擴(kuò)頻碼序列擴(kuò)展信號(hào)的頻譜技術(shù)，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解調(diào)，把被擴(kuò)展的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。換句話說(shuō)，每個(gè)信息位對(duì)應(yīng)生成一個(gè)假的任意代碼，這個(gè)代碼會(huì)把有用的窄頻信號(hào)擴(kuò)成寬頻信號(hào)。由于擴(kuò)頻導(dǎo)致傳輸能量分散，導(dǎo)致某個(gè)特定頻率信號(hào)強(qiáng)度的降低。這個(gè)寬頻信號(hào)通過(guò)天線發(fā)送，由使用相同擴(kuò)頻代碼發(fā)生器的接收器接收。當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入無(wú)線傳輸時(shí)，這個(gè)窄頻干擾信號(hào)便通過(guò)擴(kuò)頻代碼發(fā)生器傳輸?shù)浇邮掌?，此時(shí)它已被轉(zhuǎn)換成寬頻信號(hào)(噪聲)。DSSS適用于中等距離信號(hào)的傳輸，傳輸速率較高，且可以傳輸大流量的數(shù)據(jù)。

2.3 WirelessHART信息安全技術(shù)

WirelessHART采用強(qiáng)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(shù)［5］，以提供最大程度的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)保護(hù)。

信息加密、文電鑒別和信息完整性這些技術(shù)簡(jiǎn)要介紹如下。

①信息加密技術(shù):標(biāo)準(zhǔn)的128位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)加密，每條報(bào)文都有唯一的加密密鑰，保護(hù)數(shù)據(jù)不被截獲。

②文電鑒別技術(shù):通過(guò)使用32位報(bào)文完整性碼(message integrity code，MIC)保護(hù)數(shù)據(jù)包源地址，文電鑒別能夠驗(yàn)證發(fā)送者的有效性，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的驗(yàn)證。

③信息完整性技術(shù):完整性能夠確保報(bào)文通過(guò)同一的MIC毫不變更地進(jìn)行傳送。

3 WirelessHART系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)備類型

3.1 WirelessHART 系統(tǒng)架構(gòu)

WirelessHART核心技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)已相當(dāng)成熟，并且現(xiàn)在還在不斷地完善中。它的靈活性和適應(yīng)能力使得它能夠很好地適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。WirelessHART系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 WirelessHART系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 WirelessHART system architecture

3.2 WirelessHART 設(shè)備類型

WirelessHART設(shè)備主要分為無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、適配器和網(wǎng)關(guān)這三種類型。

①無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與過(guò)程或工廠設(shè)施連接。該設(shè)備可以是一臺(tái)具有內(nèi)置WirelessHART的設(shè)備，也可以是與WirelessHART適配器相連的具有HART功能的設(shè)備。這就使得現(xiàn)有工廠很容易擴(kuò)展或在新的安裝中能夠快速利用無(wú)線技術(shù)。由于電纜成本或環(huán)境限制，過(guò)去不能訪問的測(cè)量點(diǎn)，現(xiàn)在能夠很容易地采集到數(shù)據(jù)。同時(shí)，無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以使用多種不同電源供電，包括太陽(yáng)能、交流電、回路供電或電池。

②適配器

WirelessHART適配器用來(lái)將現(xiàn)有的有線HART設(shè)備連接到WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中。適配器連接到4～20 mA，以采集HART信號(hào)。一臺(tái)適配器能夠連接多臺(tái)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(xiàn)有設(shè)備;另一方面可以擴(kuò)大應(yīng)用范圍，使得有線HART設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量和診斷信息的無(wú)線傳送，使其功能升級(jí)。

③無(wú)線網(wǎng)關(guān)

按照標(biāo)準(zhǔn)，WirelessHAR網(wǎng)關(guān)由無(wú)線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)管理器和網(wǎng)關(guān)接口三部分組成［6］。與遠(yuǎn)方現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接的無(wú)線部件稱作無(wú)線接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)管理器一方面負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度設(shè)備之間的通信以及監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài);另一方面負(fù)責(zé)控制網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的連接和管理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息安全。網(wǎng)關(guān)接口負(fù)責(zé)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與工廠主干網(wǎng)或主機(jī)系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀設(shè)計(jì)使得添加或移動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)便易行。只要設(shè)備處于網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的距離范圍之內(nèi)，它便可以通信。

4 WirelessHART系統(tǒng)應(yīng)用

目前，無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，這包括從加入以前由于物理或經(jīng)濟(jì)上的原因而無(wú)法進(jìn)行的測(cè)量，到獲得全廠范圍的功能，如資產(chǎn)和人員跟蹤、安全性和員工工作效率。WirelessHART把重點(diǎn)放在了過(guò)程自動(dòng)化中尚無(wú)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的核心功能之上。

與有線HART技術(shù)一樣，WirelessHART支持全系列的過(guò)程監(jiān)控和控制應(yīng)用，主要包括以下幾個(gè)方面:

①設(shè)備和過(guò)程監(jiān)控;

②環(huán)境監(jiān)測(cè)、能源管理、法規(guī)遵從;

③資產(chǎn)管理、預(yù)防性維護(hù)、先進(jìn)的診斷;

④閉環(huán)控制(在一定情況下)。

WirelessHART技術(shù)將補(bǔ)充而不是取代有線儀表，工廠中兩者往往平行工作。WirelessHART技術(shù)的向后兼容，包括HART指令結(jié)構(gòu)和設(shè)備描述語(yǔ)言，使得用戶使用同一工具便可以同時(shí)支持有線和無(wú)線設(shè)備。WirelessHART設(shè)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(shè)備，而無(wú)需考察制造商是誰(shuí)，還能夠保證兼容設(shè)備可以在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同工作，并可相互替代而在主機(jī)系統(tǒng)一級(jí)依然不喪失功能。

WirelessHART設(shè)備可以是一個(gè)獨(dú)立的裝置，其消除了到控制系統(tǒng)的模擬連接。該設(shè)備可安裝在工廠的任何地方，而無(wú)需線纜的花費(fèi)。過(guò)程變量(process variable，PV)和HART數(shù)據(jù)通過(guò)WirelessHART網(wǎng)關(guān)與控制或資產(chǎn)管理系統(tǒng)連接。

在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，有線HART+WirelessHART兩種技術(shù)相結(jié)合，能夠提供具有成本效益、低風(fēng)險(xiǎn)的通信解決方案。這兩種技術(shù)協(xié)同工作，使得在已安裝HART設(shè)備上的投資得到保護(hù)，而且可以快速、經(jīng)濟(jì)地增加額外的HART設(shè)備。

WirelessHART應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖3所示［7］。

圖3 WirelessHART應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.3 WirelessHART application system architecture

5 WirelessHART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，工廠企業(yè)開始大規(guī)模應(yīng)用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。因此，構(gòu)建一個(gè)WirelessHART網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不困難的任務(wù)。由于設(shè)備類型有限以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力，設(shè)計(jì)者已不需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)工作。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，該技術(shù)暴露了某些局限性。從邏輯上講，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)配置有大量設(shè)備，這些設(shè)備需要通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)多次“跳躍”后將獲取的數(shù)據(jù)返回給主機(jī)。隨著跳躍次數(shù)的增加，執(zhí)行時(shí)間也隨之增加。

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的管理較為困難。由于無(wú)線RF的范圍相對(duì)較短，需要增加額外的中繼器。這樣一來(lái)，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)出現(xiàn)瓶頸，而且故障也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的較大范圍。

為了克服上述缺陷，將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)或幾個(gè)集群(cluster)，基于集群方法的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 基于集群方法的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 WirelessHART topology based on clustering

由于節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)幾次跳躍就可到達(dá)網(wǎng)關(guān)，然后到達(dá)主機(jī)，所以集群方式減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行時(shí)間。這種簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问酱蟠蠼档土诵枰欣^器的可能性，從而產(chǎn)生了沒有瓶頸的可靠而又穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。由于在網(wǎng)絡(luò)中消除了瓶頸，并且無(wú)需安裝高性能的路由器，因此對(duì)電池供電設(shè)備的要求也隨之降低，大大減少了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)量。

使用集群方法后，設(shè)計(jì)的注意力集中于網(wǎng)關(guān)的能力。由于WirelessHART通信范圍有限，這種方法要求網(wǎng)關(guān)盡量安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的位置，這樣，網(wǎng)關(guān)至主機(jī)的物理連接就成了問題。

假如使用銅纜或光纜連接到現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)關(guān)，則采用WirelessHART無(wú)線通信節(jié)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(dá)到進(jìn)一步節(jié)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(gè)問題，研發(fā)了集成WLAN收發(fā)器的WirelessHART智能網(wǎng)關(guān)［8］。DIN導(dǎo)軌安裝的智能網(wǎng)關(guān)包括WirelessHART無(wú)線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)管理器以及與WLAN客機(jī)連接的網(wǎng)關(guān)接口。網(wǎng)關(guān)能夠連接多達(dá)250臺(tái)的WirelessHART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并能將HART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Modbus TCP格式，從而很容易集成到幾乎所有的資產(chǎn)管理系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)的編程和診斷可以通過(guò)手持式HART編程器或嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行。WirelessHART數(shù)據(jù)采用128位AES標(biāo)準(zhǔn)加密，WLAN數(shù)據(jù)采用有線等效保密(wired equivalent priracy，WEP)和WiFi網(wǎng)絡(luò)安全存取(WiFi protected access，WPA)進(jìn)行加密。

集成WLAN收發(fā)器的WirelessHART智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 WirelessHART智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)Fig.5 Application system of wireless HART intelligent gateway

6 結(jié)束語(yǔ)

盡管目前傳統(tǒng)的HART設(shè)備在石化、電站、食品飲料、石油天然氣、水工業(yè)/污水處理以及其他工業(yè)領(lǐng)域的安裝量已超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)，但是由于安裝電纜的高成本，絕大部分儀表的有用數(shù)據(jù)被“困“在現(xiàn)場(chǎng)儀表中。這些有價(jià)值的數(shù)據(jù)不能提供給資產(chǎn)管理系統(tǒng)或其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，HART設(shè)備的潛能得不到發(fā)揮。WirelessHART提供了將這些現(xiàn)場(chǎng)儀表連接至主系統(tǒng)的方法。該方法簡(jiǎn)便、可靠且低成本。使用開放的WirelessHART通信協(xié)議，可極大地提升儀表的性能，大幅提高工廠的生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。WirelessHART是面向過(guò)程測(cè)量、過(guò)程控制和資產(chǎn)管理全面應(yīng)用的一種可靠的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。近年來(lái)，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化用戶選用WirelessHART通信協(xié)議已超過(guò)其他標(biāo)準(zhǔn)，WirelessHART通信協(xié)議從而成為目前采用最多的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

正是由于WirelessHART現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)具有極其明顯的優(yōu)越性，其他現(xiàn)場(chǎng)總線也紛紛開展這方面的工作。早在2007年6月，F(xiàn)F基金會(huì)發(fā)布了基金會(huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理方案。該方案集成了有線設(shè)備、遠(yuǎn)程 I/O、ISA 100.11a和WirelessHART，保證可以直接獲取設(shè)備信息，并進(jìn)行診斷。有力推進(jìn)有線與無(wú)線高速以太網(wǎng)(high speed Ethernet，HSE)與有線與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的集成以及工業(yè)無(wú)線應(yīng)用，能夠大大提升工廠資產(chǎn)管理的價(jià)值［9］。

近兩年，基金會(huì)遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)管理方案得到了成功應(yīng)用，目前正在大力推廣中。我們可以相信，WirelessHART工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，有線技術(shù)與無(wú)線技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步融合，以加速推進(jìn)工廠物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)。

［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(yīng)賓.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)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，F(xiàn)all，2011:6 －8.