HART现场总线走向WirelessHART现场网络

缪学勤

(上海工业自动化仪表研究院，上海 200233)

0 引言

2011年，国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)合作成立JWC7第7联合工作组，着手将信息领域的物联网技术扩展到工业领域。该联合工作组正在制定ISO/IEC 29182传感器网络国际标准。该标准在总论中指出，过去的传感和控制网络(例如现场总线)依赖于专用通信设备，具有代表性的结构是采用固定接线的闭合系统。该系统通过小型或无源方法连接至外部信息流，并随着新一代信息技术快速进入工业自动化领域。近年来，传感和控制网络广泛采用诸如无线通信、基于上下文的处理、多模态数据、开放服务环境以及大范围内大规模集成等新技术［1］。工业传感器网络技术将会得到快速发展。

目前，无线通信技术已能做到与有线通信技术相当的水平，有线技术与无线技术的融合，将使得现场总线向现场网络发展。现场网络能够解决现场总线一些过去难以解决的技术难点。艾默生等公司现已在这方面做了开创性的工作。

1 HART现场总线

可寻址远程传感器数据公路通信协议(highway addressable remote transducer，HART)最早于1986年由Rosemount公司开发，得到了200多家仪表公司的支持，并于1993年成立了HART通信基金会。

HART协议采用基于Bell202通信标准的频移键控FSK技术，在现有的4～20 mA模拟信号上迭加FSK信号，以1200Hz信号表示逻辑1，以2200Hz信号表示逻辑0。它能同时进行模拟信号与数字信号的双向通信而互不干扰。HART协议还能在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能对现场仪表的各项特性进行清楚描述。

由于HART数据能够与通常使用的4～20 mA信号共享同一根双绞线，从而简化了接线方式和采集所有数据所需的导线数量。因为HART仪表既具有常规模拟性能，又具有数字性能，所以HART设备可以向后兼容不具有HART能力的现有主系统。事实上，目前已安装的HART设备90%都连接到不具有利用HART数据能力的传统主系统。在应用过程中，为了便于组态，这种HART设备可以使用公共的编程工具，能够赋予仪表更多的智能功能。因此，与传统的模拟仪表相比，该类HART仪表具有较强的价格优势。HART仪表的上述优点吸引了世界各地广大的最终用户。到目前为止，HART设备的安装量已超过3000万台。2001年，HART通信协议正式成为IEC 61158第四版现场总线标准的第20种类型的现场总线。

多年来，HART通信基金会一直在有组织地进行HART协议的创新开发工作，一直在收集最终用户在使用HART协议后的反馈意见，不断集成HART仪表供应商的创新理念。经过近20年的发展，HART通信基金会于2007年6月推出了HART 7通信协议版本。该协议在物理层增加了新的无线物理介质，从而产生了WirelessHART通信协议。该协议使得过程测量和控制领域产生了新的变革。

2 WirelessHART现场网络

WirelessHART通信协议构筑在 IEEE 802.15.4无线平台上［1－2］，其工作频率为专用于工业、科技和医疗(ISM)应用的无需许可证的2.4 GHz宽带信道。该频率采用直接序列扩频技术(direct sequence spread spectrum，DSSS)和跳频扩频技术(freguercy-hopping spread specturn，FHSS)来保证网络的安全和可靠性，并采用时分多址(TDMA)的同步、隐式报文控制通信技术进行网络设备通信。它强制规定所有的兼容设备必须支持可互操作性，不同供应商提供的WirelessHART设备无需进行系统操作就能实现互换，即连即用。WirelessHART向后兼容现有的HART设备和应用。传统HART在应用过程中，无需进行任何软件升级就可以利用WirelessHART通信协议。该协议已成为IEC 62591 国际标准［2－3］。

2.1 时间同步网状网络协议(TSMP)

WirelessHART采用网状网络拓扑结构。网状网络的每一个装置都可为其他装置的报文提供路由功能。换句话说，装置无需直接与网关通信而只需将其发送的报文传递到最近的下一个装置。这样就扩展了网络范围，并增强了冗余通信路由能力，最终增强了网络的可靠性。

为了保证冗余路由途径保持开放和畅通，报文将持续在冗余路径之间进行切换选择。如果一条报文无法通过某一路由到达目的地，它将自动重新路由到另一条正确的冗余路径上，而且数据不会丢失。因此，WirelessHART网状网络具有自组织和自愈特性，即动态组网功能。

WirelessHART真正的优势是时间同步网状网络协议(time synchronized mesh protocol，TSMP)。该协议提供冗余技术，并保证在时间、频率以及空间上不会中断，从而确保在极其恶劣的无线环境中也具有很高的可靠性。TSMP也提供自组织、自愈网状网络路由所需的智能功能，其结果是可以构筑一个短程(厂内50～100 m)无线网络。该网络无需专门技术，安装容易，能够自动适应环境的各种变化，并能按需进行扩展。

TSMP的时间同步通信、跳频、节点自动加入和网络自动构建、全冗余网状网络路由以及安全报文传送等五项技术是确保端-端网络可靠性和提高电源效率的关键因素。

使用时间同步通信后，网络中的每台设备都支持精准的时间概念，这样每台设备就能与其相邻设备保持同步。为了避免产生碰撞，用来提高电源效率和完成可扩展的通信所有设备以及设备到设备的通信都应该在一个预调度窗口(长度为10 ms)内产生。除按时间调度传送外，TSMP也会根据不同的频率调度进行传送，这样就极大地提高了有效带宽，同时也有效地减少了电源的消耗，使得设备使用小容量电池就能维持运行几年。WirelessHART频率-时间变化示意图如图1所示。

图1 WirelessHART频率-时间变化示意图Fig.1 WirelessHART is diverse in frequency and time

TSMP网络的主要优点是它的自组织能力。由于实现了“全网状网络”拓扑结构，使得每台设备都具有多条冗余通信路径。网络中不存在简化功能或没有路由的节点。全网状网络拓扑结构具有自组织和自愈特性，在环境发生变化的情况下，仍然能使网络维持长期的、不许干预的可靠性和预测性。

每台设备都具有发现相邻设备、测量RF信号强度以及采集同步和跳频信息的智能功能，从而能构建或断开与相邻设备的链接。每个网络都由唯一的ID地址定义，然后与节点一起绑定至网络。这就使得多个网络能够同时存在，无需分享数据或出错路由的报文。

2.2 WirelessHART传送数据技术

WirelessHART采用跳频扩频(FHSS)和直接序列扩频(DSSS)相组合的无线传输技术，以提供干扰抑制(FHSS)和编码增益(DSSS)，从而构建强有力的抗干扰处理机制［4］。

在FHSS传输系统中，工作频段被分割成一系列子信道，载波根据伪随机序列改变频率。这个伪随机系列是几个频率的列表，发送器通过应用跳频序列来选择传输的序列。发送器频率从一个子信道跳到另一个子信道上。在事先定义好的时间内，首先在每个信道发送突发短数据，然后应用小数量的时间跳跃到下一个频率(跳跃时间)。当这个频率列表被使用完时，发送器将重复这个序列。接收器与发送器之间跳频序列同步进行。简单地讲，发送器和接收器按照事先约定好的、只有双方知道的顺序不断改变无线传输的频率。FHSS传输系统通过不断改变传输频率来避开干扰源。对于具有较强干扰的工业过程应用场合，FHSS可以进行长距离信号传输，传输速率较低，但抗干扰能力极强。因此，FHSS是一种非常可靠的传输数据技术。

直接序列扩频(DSSS)技术是用于ISM频段的另一种传输数据方法。DSSS是在发送端用高码率的扩频码序列扩展信号的频谱技术，在接收端用相同的扩频码序列进行解调，把被扩展的扩频信号还原成原始的信息。换句话说，每个信息位对应生成一个假的任意代码，这个代码会把有用的窄频信号扩成宽频信号。由于扩频导致传输能量分散，导致某个特定频率信号强度的降低。这个宽频信号通过天线发送，由使用相同扩频代码发生器的接收器接收。当干扰信号进入无线传输时，这个窄频干扰信号便通过扩频代码发生器传输到接收器，此时它已被转换成宽频信号(噪声)。DSSS适用于中等距离信号的传输，传输速率较高，且可以传输大流量的数据。

2.3 WirelessHART信息安全技术

WirelessHART采用强大的信息安全措施，包括信息加密、文电鉴别和信息完整性以及纵深防御策略等技术［5］，以提供最大程度的网络和数据保护。

信息加密、文电鉴别和信息完整性这些技术简要介绍如下。

①信息加密技术:标准的128位高级加密标准(advanced encryption standard，AES)加密，每条报文都有唯一的加密密钥，保护数据不被截获。

②文电鉴别技术:通过使用32位报文完整性码(message integrity code，MIC)保护数据包源地址，文电鉴别能够验证发送者的有效性，实现对每个数据包的验证。

③信息完整性技术:完整性能够确保报文通过同一的MIC毫不变更地进行传送。

3 WirelessHART系统架构与设备类型

3.1 WirelessHART 系统架构

WirelessHART核心技术经过多年的研发已相当成熟，并且现在还在不断地完善中。它的灵活性和适应能力使得它能够很好地适应恶劣的工业环境。WirelessHART系统架构如图2所示。

图2 WirelessHART系统架构Fig.2 WirelessHART system architecture

3.2 WirelessHART 设备类型

WirelessHART设备主要分为无线现场设备、适配器和网关这三种类型。

①无线现场设备

无线现场设备与过程或工厂设施连接。该设备可以是一台具有内置WirelessHART的设备，也可以是与WirelessHART适配器相连的具有HART功能的设备。这就使得现有工厂很容易扩展或在新的安装中能够快速利用无线技术。由于电缆成本或环境限制，过去不能访问的测量点，现在能够很容易地采集到数据。同时，无线现场设备可以使用多种不同电源供电，包括太阳能、交流电、回路供电或电池。

②适配器

WirelessHART适配器用来将现有的有线HART设备连接到WirelessHART网络中。适配器连接到4～20 mA，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无线网关

按照标准，WirelessHAR网关由无线接入点、网络管理器和网关接口三部分组成［6］。与远方现场设备连接的无线部件称作无线接入点。网络管理器一方面负责配置网络、调度设备之间的通信以及监测网络的状态;另一方面负责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，也可以按任意方式组合或分开。

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距离范围之内，它便可以通信。

4 WirelessHART系统应用

目前，无线技术的应用领域十分广泛，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把重点放在了过程自动化中尚无无线标准的核心功能之上。

与有线HART技术一样，WirelessHART支持全系列的过程监控和控制应用，主要包括以下几个方面:

①设备和过程监控;

②环境监测、能源管理、法规遵从;

③资产管理、预防性维护、先进的诊断;

④闭环控制(在一定情况下)。

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，使得用户使用同一工具便可以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设备可以是一个独立的装置，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(process variable，PV)和HART数据通过WirelessHART网关与控制或资产管理系统连接。

在现场系统应用中，有线HART+WirelessHART两种技术相结合，能够提供具有成本效益、低风险的通信解决方案。这两种技术协同工作，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。

WirelessHART应用系统构成示意图如图3所示［7］。

图3 WirelessHART应用系统构成示意图Fig.3 WirelessHART application system architecture

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。因此，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，设计者已不需要进行大量的设计工作。但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，执行时间也随之增加。

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)，基于集群方法的WirelessHART网络拓扑图如图4所示。

图4 基于集群方法的WirelessHART网络拓扑图Fig.4 WirelessHART topology based on clustering

由于节点经过几次跳跃就可到达网关，然后到达主机，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，因此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位置，这样，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，必须避免回程(backhaul)电缆的使用，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［8］。DIN导轨安装的智能网关包括WirelessHART无线接入点、网络管理器以及与WLAN客机连接的网关接口。网关能够连接多达250台的WirelessHART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。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数据采用有线等效保密(wired equivalent priracy，WEP)和WiFi网络安全存取(WiFi protected access，WPA)进行加密。

集成WLAN收发器的WirelessHART智能网关应用系统如图5所示。

图5 WirelessHART智能网关应用系统Fig.5 Application system of wireless HART intelligent gateway

6 结束语

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/污水处理以及其他工业领域的安装量已超过3000万台，但是由于安装电缆的高成本，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他数据采集系统，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方法。该方法简便、可靠且低成本。使用开放的WirelessHART通信协议，可极大地提升仪表的性能，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。近年来，工业过程自动化用户选用WirelessHART通信协议已超过其他标准，WirelessHART通信协议从而成为目前采用最多的无线传感器网络国际标准。

正是由于WirelessHART现场网络具有极其明显的优越性，其他现场总线也纷纷开展这方面的工作。早在2007年6月，FF基金会发布了基金会远程运营管理方案。该方案集成了有线设备、远程 I/O、ISA 100.11a和WirelessHART，保证可以直接获取设备信息，并进行诊断。有力推进有线与无线高速以太网(high speed Ethernet，HSE)与有线与无线传感网络的集成以及工业无线应用，能够大大提升工厂资产管理的价值［9］。

近两年，基金会远程运营管理方案得到了成功应用，目前正在大力推广中。我们可以相信，WirelessHART工业无线传感器网络技术将会得到越来越广泛的应用，有线技术与无线技术将会进一步融合，以加速推进工厂物联网时代的到来。

［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，周应宾.无线传感器网络技术与应用［M］.北京:电子工业出版社，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.