流程工业中的无线shart网络

在过程行业中，许多仪器工程师之间的误导是普遍存在的仪器工程师。本文通过揭示与WirelessHart网络相关的七个常见神话直接设置记录。

1.WirelessHART是不安全的

假的。WirelessHART是安全的。但是为什么呢?各种各样的工具可以做到这一点。

加密-通信总是通过WirelessHART网络进行加密，该网络采用128位AES加密系统(高级加密标准)，这是有线通信几个领域的行业标准。但是，不可能禁用加密。

WirelessHART网关的安全管理器管理以下三个参数:

• 网络ID
• 连接键
• 会话密钥

要将WirelessHART发射器集成到网络中，需要一个网络ID和连接键。一旦输入这些信息，发送器首先寻找具有正确ID的网络，当它检测到这样的网络时，发送一个配置了密钥的“Join Request”消息。然后，WirelessHART网关检查发送器的连接键。如果连接键是正确的，则发送者被网络接受。通过会话密钥加密通信。一个单独的会话密钥被提供给每个网络用户，这意味着他们只能通过连接密钥被网络接受。但是，其他订阅者的加密通信不会因此而解密。

访问列表一旦调试完成，接受新的网络订户总是可以被禁用。这种方法确保了新的网络订阅者不会被集成到网络中，即使网络ID和连接键是正确的。为了将新用户整合到网络中，可以关闭该功能，也可以手动输入用户的UID(唯一标识符=唯一设备序列号)到网关。在转发消息时，不再出现在网关用户列表中的网络用户也将被其他网络用户忽略。

加入计数器- 当网络与WirelessHart发射机集成时，WirelessHart将此数据记录在所谓的连接计数器中。如果它加入相同的网络或者重新启动，则设备的连接计数器会增加。连接计数器包括在网关和网络用户中，并且无法读出这些。当设备尝试与与网关不对应的连接计数器集成到网络时，网关将拒绝。因此，即使两者都拥有相同的UID，也不能用另一个设备被另一个设备代替一个设备。

诺斯柜台- nonce计数器存在于每个传输的消息中。其中包括UID和发送器迄今发送的消息数量。此机制用于以唯一的方式标记每条消息。当截获消息以便稍后重新发送时，它将被识别为过时，因此将被拒绝。这种方法可以防止通信中的任何操作。

修改网络参数-网络ID、网络参数和连接密钥只能由网关自己修改，也只能在a处修改WirelessHART发射机本地通过显示或服务接口。此信息永远不会被网络订阅者或网络中的黑客修改。

2.无线shart网络太贵了

的确，WirelessHART设备比有线HART设备更贵。但是，更重要的是，总体通信投资的成本是如何比较的?

WirelessHART设备更贵，因为:

• 他们使用高频元件
• 它们包含超低功耗电子器件，可延长电池寿命
• 他们需要措施来实现爆炸保护

然而，重要的是要考虑整个解决方案，而不仅仅是设备。这个解决方案涉及材料、工程时间和劳动时间。

有线设备的基础架构-Generally，新有线设备的测量信号必须与DC或PLC连接以使用数据。这是由系统的本地I / O，现场总线连接或远程I / O系统实现的。虽然这在新安装（Greenfield）期间，这在这方面被证明很容易，但这可能会升级到当前安装（棕色菲尔德）的挑战。必须有备用容量（终端，通道，免费插槽），以添加新组件。另一个主要问题是将电线从测量中带到I / O，需要路由和保护接线盒，设备布线，电缆托盘和腺体以及它们的所有配件。要安排，准备和安装所有这些基础架构至关重要。还必须识别可访问的位置，或者必须通过其他方式获得此访问，例如通过设置绞刑台。

工程和人工费-在开始所有这些之前，工程师必须制定一个计划，以确定哪些I/O是有意义的，电缆可以在哪里运行，以及如何进行这项工作。文档应该不断更新以跟踪电线的位置。

危险区域- 与通用区域相比，危险区域进一步增加了努力和困难。工程师必须考虑技术问题和当地条件。爆炸保护专家必须验证计划的安装，包括区域分离和安全电源。

无线设备盈亏平衡点-显然，WirelessHART网络也需要一些规划和安装。关键的区别在于工作，因为只有WirelessHART网关需要动力安装。负担能力将由当地情况决定。WirelessHART设备可以以任何方式安装，以优化测量;爆炸区域的分离是默认发生的，因为除了机制之外，区域之间没有物理连接(例如温度计套管)。

然而，可以节省多少呢?除了一个网关外，无线解决方案在首次安装3或4个WirelessHART设备时获得盈亏平衡点。例如，考虑一个流行的设备，一个有两个输出和两个输入的被监控的热交换器。

热交换器需要四个温度发射器。所以假设：

• 四个温度信号传送器
• 预定的接线盒与控制室之间的距离为100米
• 每个发射机与接线盒之间需连接10米电缆

实现这个解决方案将花费大约2万美元，其中只有20%表示温度变送器的成本。

在无线的情况下，假设:

• 四个温度信号传送器
• WirelessHART网关与控制室之间的距离为10米

实现这个解决方案将花费约15,000美元，其中80%表示网关和WirelessHART设备的成本。

因此，与有线1相比，无线解决方案节省多达25％，并且它将及时节省更多。实际上，该解决方案可以在四分之一的时间内提供。和下一个热交换器？如果它有线，它将花费20,000美元。如果它是无线的，它只将添加新的WirelessHart设备的成本，因为网关已有。

以两种有线方案的价格可以得到三种无线方案，同时可以得到四种无线方案作为一种有线方案。

3.无线shart网络不可靠

用于过程控制的通信链路以及监控应可靠且根据需要可用。在需要时的通信故障示例是一个众所周知的事实。那么，无线通信可以是可靠的吗？有趣的是，它可以比电缆更可靠。使用时间同步的跳频，网状网络用于实现此目的。

网状网络-如前所述，所有网络都有一个网关，将无线数据转换为有线数据，准备用于PLC或DCS。大多数无线通信采用星型架构，这意味着所有的网络参与者只连接到头部或星型中心。星型拓扑的主要例子是WLAN和移动电话通信。WirelessHART采用的是网状架构，而不是星型架构。网状网络中的参与者与网关进行通信，并且彼此之间也进行通信。此外，无线设备通知网关它们可以与哪些其他参与者通信。

范围内的其他无线参与者被称为邻居。在分析邻居信息后，网关生成一个路由表，其中包含了网络参与者有哪些邻居的信息。由于参与者可以相互联系，他们可以路由数据包从他们的邻居。通过这种方式，网关可以为每个网络参与者创建冗余的通信路径。如果其中一条通信路径发生故障，发送方将自动切换到冗余路径。由于每个传输的数据包都必须得到其接收方的承认，因此很容易检测到断开的链路。

RSSI和路径稳定性-无线电信号强度指示器，也称为RSSI，指示网关的通信链路的质量。通过了解这一点，网关可以发现信号电平是否已经过低，或者是否有足够的备用强度可用。由于网关接收到每个通信链路的RSSI，它可以很容易地区分低电平和高电平信号。网关还计算每个通信链路在传输过程中丢失的数据包。网关可以通过比较网络中传输的包的总数来检测高损耗和重传的路径。这两种信息都被网关用来检测网络中的好路径或坏路径。因此，网关现在可以选择网络参与者应该使用的良好路径进行通信。

FHSS和DSSS为了保证可靠性，WirelessHART采用了两种技术:直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)。WirelessHART是2.4 GHz频段的跳频器。无线信道在两个网络参与者之间每次传输之后都会发生变化。跨多个频率跳频已经被证明是一种有效的方法来回避干扰和解决射频困难。当一个传输被阻塞时，随后的传输将以不同的频率发送给另一个参与者。结果很简单，但在面对常见的射频干扰时非常有弹性。

直接数字扩频系统可以传输比所需要的信息更多的信息，并且每个信息位发送8位。每一位都被加密，这样即使收到的八位中不到一半，主位也会被恢复。这使得通信在短时干扰下更加强大，数据不再需要重新传输，从而节省了能量、时间和带宽。

冗余-由于每个WirelessHART设备都可以为其他设备路由数据，网络拓扑可以为每个网络参与者建立冗余路径。至少有三条独立且良好的通信路径，可以保证与网关的可靠通信。网关可以建立有关网络流量、拓扑结构和通信路径质量的所有信息。

4.WirelessHART网络范围太短

一个常见的问题是WirelessHART可以覆盖的最大距离。有时这个问题会被与周围环境和障碍物有关的答案搞混。WirelessHART设备真正需要达到的范围是什么?明智的答案围绕着中继器、网络设置和带宽。

网络设置-将无线数据传输到网关，网关将无线数据转换为有线数据，供PLC或DCS使用是网络的主要目的。一个正确设置的WirelessHART网络至少有三个设备在彼此的范围内，包括网关。这保证了到网关的可靠连接。此外，必须确保网关位于网络的中心位置，否则网关附近的设备会成为夹点，降低电池寿命，并可能导致网络故障。

如果遵循这些网络设置的建议，即使在高度阻塞的区域，也可以获得近200英尺的覆盖。事实上，覆盖范围通常会扩大到300英尺。在大型安装中，将安装更多的测点。这将自动扩展网络覆盖范围，因为新的WirelessHART设备将路由其他设备的通信。

频谱和带宽为了降低功耗，设备传输的数量应该减少到服务于应用程序所必需的数量。重新传输的次数也应该尽可能的少。WirelessHART使用时分多路访问来避免冲突。这意味着所有链接都有自己独特的通信时间。如果这条链路因某种原因或其他原因失效，传输将转移到另一条链路。

WirelessHart使用无许可证2.4GHz ISM频段。该频段也可以由其他应用（科学，工业和医用乐队）使用。因此，WirelessHart与在同一频段中运行的所有其他技术共享其带宽。这将导致网络内的每个设备的冲突和重新传输，因为这些各种网络不彼此不同步（蓝牙，WLAN等）。

为了维护稳定可靠的网络，即使很少需要，应保留用于重新传输的时隙。更快的更新速率需要更多的时间槽，并且可以减少可用网络总量的带宽。实际上，更新速率为1秒可以容易地导致单个网关内的最大12个设备。作为替代方案，可以并行运行两个无线网络网络，但这也会导致冲突并降低两个网络的带宽。而不是拥有一个长距离网络，两个短程网络覆盖许多具有小重叠区域的众多区域，这将提高其稳定性和设备寿命。

中继器或路由设备-有时，测点距离网络太远而无法连接，但这可以通过安装额外的路由设备来解决。虽然任何WirelessHART设备都可以用于这一目的，但最合适的设备是紧凑的，易于安装，并提供易于更换的电池。

5.WirelessHART设备不断需要新电池

无线设备将需要哪种电源线 - 而不是完全无线。因此，必须具有可靠和独立的电源。电池可以满足这一要求，但能源有限的缺点。不言而喻，应更换死电池以获得再次运行的电池供电的设备。但是，这个缺点真的有多大？

的WirelessHART设备ABB公司采用工业标准的d尺寸初级电池。该电池特别设计用于在-55°C到+85°C的宽温度范围内延长工作寿命，以满足流程工业的需要。然而，有多少寿命是可以实现的?视情况而定。电池寿命是无法预测的，这是一个不可否认的事实，但它的作用类似于汽车的燃料消耗。根据速度和加速度、交通状况和车辆重量，有些人需要的少一些，有些人需要的多一些。

为了增加电池寿命，ABB电子采用了超低功耗设计——与传统的4-20 mA HART设备相比减少了20倍。所有组件都是根据其功能和功耗精心选择的。设计的目的是尽可能少地消耗能源，包括软件。例如，如果不需要，子电路就会断电。因此，传感器本身在两次测量和显示之间断电。如果更新速度足够慢，设备会尽可能频繁地在两次测量之间进入“深度睡眠模式”。

更新速率是用户定义的时间间隔，在此时间点，无线设备开始测量并将数据传输到网关。此外，更新速度对电池寿命的影响最大——当更新速度越快，电池寿命就越低。这意味着更新速度必须尽可能慢，但同时应该满足应用程序的需求。基于过程变量的时间常数，为了监控开环控制应用程序，更新速度必须快三到四倍。对于监管闭环控制和某些类型的监督控制，它也必须快4到10倍。

要特别注意超过4秒的更新速度。有了这些更快的速度，设备将不会陷入深度睡眠模式。更快的速率也会消耗相对更多的电力，从而影响单个网关可以处理的设备总数。

突然命令设置-所有WirelessHART设备都能够爆裂出三个独立的HART命令。显然，每个命令的更新速率可以单独设置。然而，如前所述，设备试图尽可能地进入深度睡眠模式。缺省情况下，更新速率设置为彼此的倍数。这为设备提供了最好的条件，以节省尽可能多的能源。

网络拓扑结构-电池寿命也会受到网格功能的影响，因为每个设备都有路由功能。如果一个设备作为另一个设备的父设备，并且两个设备都设置了相同的突发配置，那么父设备传输数据的频率应该是其子设备的两倍。而且，最省电的网络拓扑是所有设备都在网关的有效范围内。虽然这不可能总是这样，但应该在放置网关之前考虑这一点。为了延长电池寿命，网关应该或多或少地放置在规划网络的中心位置。在这种方式下，作为父设备的设备将被均匀分布——而不是只依赖少数设备来路由数据。

了解了这些关于电池寿命的事实后，我们还能期待什么呢?考虑到所有这些节能建议，并假设如下:

• 破裂一个命令
• 使用21°C的设备
• 具有到网关的直接通信路径
• 拥有三个具有相同更新速率的子设备

在这些条件下，电池寿命可能持续下去：

• 5年，更新速度8秒
• 8年，更新速度16秒
• 10年，更新速度32秒

如果该设备在网络中具有路由的关键位置，或者如果首选更快的更新速度，则采用ABB的能量收割机选择可可靠地释放电池。最重要的是，ABB的WirelessHART发射机使用标准电池，这使得它们很容易采购。虽然这不会节省电池寿命，但肯定会省钱。

6.WirelessHART网络需要专家来建立

大多数工程师认为，建立无线网络是费力和令人讨厌的。确保安全通信时需要时间，让所有内容运行并包括所有首选网络参与者。但这是真的吗？我们实际需要做些什么来获得无线休闲网络运行？

WirelessHart网络的无线元素包括：

• 与工艺或工厂设备相连接的现场设备。app亚博体育显然，它们都将具备无线shart功能
• 一组网络参数:网络ID和连接键
• 一种网关，允许主机应用程序和WirelessHART网络中的现场设备之间进行通信

而已。现在，用户可以在一些简单的步骤中设置他们的网络：

网络参数输入-要使网关正常运行，用户需要输入网络参数。这可以很容易地通过WirelessHART网关的集成web浏览器来实现。大多数网关都提供这种舒适的配置方式。现在，网络参与者可以加入网络，他们也需要网络参数。下面是最简单的方法:用户可以使用首选网络参数订购它们，或者必须手动输入参数。

由于所有WirelessHART设备都提供了维护端口，用户可以使用有线HART设备已有的工具。这消除了对更多设备的需要。app亚博体育WirelessHART设备可以像有线HART设备一样操作。此外，ABB WirelessHART设备只需简单地使用其HMI即可投入运行。同样，用户不必担心安全问题，因为它都是内置的。

更新率- 所有WirelessHart设备能够突发其测量值，默认情况下，所有ABB WirelessHart设备都可以在16秒的间隔内突发HART命令9。这包括动态变量电视，SV，PV，QV（具有多个输出的设备），其状态为每个和剩余电池寿命。WirelessHart设备突发HART命令48每32秒 - 附加设备状态信息。因此，用户不必处理突发配置。但是，可以根据需要更改更新速率或命令。

现场设备和网关的布置- 用户应首先以网关安装开头。他们必须找到合适的地方，并为它推出。由于网关用作WirelessHart网络和主机应用程序之间的连接，因此它需要电源和与DC的连接连接。准备WirelessHart设备后，它们现在可以安装在该字段中。

安装方式可以与有线HART设备相同。然而，WirelessHART设备没有电线，因此需要更少的工作。在危险区域中尤其如此，因为没有任何东西会穿过区域，输出设备不必与输入设备的ex参数进行检查。一旦设备通电，它们将自动出现在网络中。网关处理一切，用户不再需要担心网络是否联网，或者哪个设备与哪个设备通信。

7.WirelessHART太慢了

当要求用户覆盖所需速度以覆盖应用程序时，它们通常会回答：尽可能快。但是，网络中的WirelessHart设备的更新速率可以单独配置每秒一次，每小时一次。这对一切都足够快吗？在迅速回答这个问题之前，重要的是要看一些考虑因素。

用法-首先，用户应该检查WirelessHART网络用于哪些应用:状态监控和过程监控。注:无线采样/更新速率应为:

• 调节闭环控制速度快4到10倍
• 比开环控制和条件监控应用程序的处理时间常数快3至4倍

在目前的过程工业中，超过60%的测量只是简单地监测条件，而不是用于控制应用。因此，WirelelessHART更新速率等于或大于1秒可能适合大多数这些应用程序。显然，其他因素也可能适用。

时机-在有线设备的情况下，更新速率和时间通常不被考虑。操作人员和工程师假设DCS中的值实际上是过程中通过过采样获得的实时值。在现实中，信号通常在到达DCS之前由初始传感器元件改变和缩放。因此，在标准有线安装中，度量值中也存在延迟。仪器工程师很少知道这些事实，他们只是假设这些值是足够及时的。在WirelessHART领域中，数据包中的时间戳显示了一个测量值的年龄。这个指示器允许工程师评估延迟并对其做出适当的反应。

与众不同的想法-Instument工程师在过程行业中应该知道过程值如何为条件监测和控制应用程序改变。WirelessHart不需要额外的知识。关于有线安装，此知识会影响PLC或DCS。对于WirelessHart，它会影响网络本身的规划。由于带宽是一个有限的资源，仪器工程师应考虑更新率的速度而不是速度。

比较速度-由传统的FSK-HART环路提供每秒1200位的速度。事实上，RS-485电缆上的HART被限制在每秒38400位。WirelessHART提供每秒25万比特的速度，比有线HART快200倍以上，比RS-485电缆快6倍以上。通过将“快速管道”分配给网络参与者，无线网关提供比普通网关快四倍的高带宽连接。这适用于传输大量数据，比如上传和下载完整的配置。

术语

网关	一种网络设备，至少包含一个主机接口(如串行或以太网)，作为入口或出口点。
跳	用于将数据从一个设备传递到另一个设备的术语作为延长发射距离的装置。还用于表示改变通道的功能。
加入	网络设备被认证并允许参与网络的过程。当设备具有网络密钥、网络管理器会话和普通(非连接)超帧和链接时，设备被认为是已连接的。
邻居	网络中相邻的节点。
现时标志	一个数字构造成当前数据包是独一无二的，以确保在重放攻击中无法重复使用旧通信。
安全管理器	一个管理网络设备安全资源和监控网络安全状态的应用程序。
DCS	分布式控制系统
AES	高级加密标准
UID	唯一标识符
FHSS.	跳频扩频频谱
DSSS	直接序列扩频
孩子	一个从另一个尘埃接收时间信息的装置是它的子尘埃。子节点通过其父节点转发数据，没有直接与网关通信的路径。
父母(或时间父母)	作为时间同步源的一种设备。尘粒的父节点离网关更近一跳，并将子节点的数据转发给网关。
节点(或设备)	连接到WirelessHART网络的一种可寻址的逻辑或物理设备。
链接	两个网络设备之间的通信路径。

此信息已采购，从ABB测量和分析提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问ABB测量与分析。