Interconnected WirelessHART and Traditional HART Networks
Shahid Raza, Thiemo Voigt
'SICS, SE -164292979009;' '2173333;'
{shahid, thiemo}@sics.se
Abstract-WirelessHART is a new standardized wireless sensor network protocol for industrial process automation. The Wireless HART protocol aims to supplement the HART protocol by providing it with wireless extensions. However, because of the difference between physical layer and data link layer, the two protocols can not interoperate directly. WirelessHART is based on 802.15.4 mesh network, and HART is a 4-20mA analog cable protocol. Considering the large number of installations of the global HART network, we think it is necessary to integrate HART and WirelessHART networks, because the WirelessHART standard does not specify a method of securely connecting the two networks.
In this article, we provide different options for integrating WirelessHART and traditional HART networks. We started using gateways to integrate the two networks. However, gateway-based integration is sometimes not feasible and secure. The main contribution of this paper is that we provide a novel and relatively secure solution for the interconnection of WirelessHART network and HART network. We specify and design a new Wireless HART Integrator, which extends the functionality of the Wireless HART adapter and provides integration only at the network level, not at the device level. We also analyze and compare our solutions with gateway and adapter-based solutions.
One. introduce
WirelessHART [1] [2] is the first international standard of wireless sensor networks approved by IEC. It is mainly used for wireless communication in industrial process automation. WirelessHART is not a new protocol; on the contrary, it is a wireless extension of the high-speed addressable remote sensor (HART) protocol [3]. Since 1990, HART protocol can be used as an open protocol for industrial process automation and control. The latest version is HART 7.2, which includes wireless process data transmission and acquisition functions, formally named Wireless HARTTm value.
HART is a protocol widely used in automation industry. At present, there are thousands of HART networks and millions of HART devices in operation all over the world. In order to make use of the traditional HART network and become a successful wireless industrial automation standard, the WirelessHART network should be able to interoperate with the traditional HART network. Unfortunately, because the physical layer and the data link layer are different [4], although the protocol shares many common functions, WirelessHART is not directly compatible with traditional HART. The WirelessHART standard provides a mechanism
HART devices are integrated with Wireless HART network, but the standard lacks the integration of HART network and Wireless HART network. In this article, we provide different options for connecting the WirelessHART network to the HART network. As far as we know, our work is the first attempt to integrate HART and Wireless HART networks. Existing solutions connect other traditional process automation wired networks to wireless networks [5]; however, these solutions are not applicable to HART / Wireless HART networks.
主机应用程序
上午
`
有线/核心网络
牡鹿
骨干
网关
纳米
美联社
HART大师
惠希
FD
HART奴隶
手持式
We start with an integration solution where the WirelessHART gateway is used as an integration point. Here, the gateway can be used as a stand-alone device, can be added to the HART I/O subsystem, or can be placed in the PC card inserted into the HART modem. However, there is only one gateway in WirelessHART, so it is impossible to connect it directly and securely with HART Masters.
WirelessHART is a security standard, while traditional HART1 is an unsafe protocol. We provide a novel, relatively secure, flexible and scalable solution to connect the HART network to the Wireless HART network. Our main contribution is the secure design of Wireless HART integrator (WHI)
Connect the HART network to the WirelessHART network without changing or replacing the existing HART or WirelessHART devices. Unlike adapters that connect wired HART slave devices to WirelessHART networks, our WHI connects HART master stations to WirelessHART networks. HART Master is a controller used to control field instruments or HART slave devices connected by current loops (HART network is called current loops). Figure 1 shows this structure, which is explained in section IV-A.
We analyze and evaluate this novel solution by comparing the host-level integration with the device-level integration of the WirelessHART gateway or adapter. Our comparison is based on scalability, flexibility, security and other parameters. We conclude that our solution is more practical, safer, more reliable and more scalable.
Two. background
The development of Wireless HART protocol is to supplement the traditional HART protocol. Both protocols are used for industrial process automation and have some common features. All messages in HART and WirelessHART flow in the form of predefined commands in the standard.
A.HART network
Both HART and Wireless HART protocols are based on OSI 7-tier architecture. HART protocol only defines physical layer, data link layer and application layer, while WirelessHART standard defines five layers (no separate session layer and presentation layer). HART networks can be formed by point-to-point or multi-point current loops. In a point-to
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译文
无线HART网络控制
摘要据观察,工业过程控制发展的历史也是减少实现控制所需的导线数量的历史。对无线的控制是这一演变的结束。无线控制面临着安全性、可靠性、反馈延迟、电池寿命等诸多挑战。本文介绍了实现无线控制的一些经验。我们使用的平台是 WirelesshartMesh网络,这是第一个国际工业无线控制标准。我们描述了该标准的全面实施,并研究了其应用中的问题和解决方案我们的数据显示,无线Hart能技术能应对无线控制的挑战。
一、引言
控制工艺装置的历史也是减少工业装置中电线数量的历史。在现场总线之前的时代，每个IO设备都需要一对双绞线来中继数据并可选地提供电源。使用现场总线，一组设备连接到一个单独的总线，该总线也可以选择提供电源。现场总线成功的关键因素之一是降低了布线成本。接下来自然要问的问题是，我们是否可以拆除现场总线的电线，并进一步降低成本。
答案是无线网状网络。将无线技术应用于过程控制行业已不再是一种前卫的冒险。无线哈特，这一领域的第一个，已经成为国际电工委员会（IEC）的标准。截至2010年4月，全球已经部署了1000多个无线哈特 Mesh网络。如果我们包括其他非无线哈特系统，这个数字可能会更高。部署无线的进入障碍已经被克服；现在争论已经转移到无线部署渗透的深度。我们现在要问的问题是，我们是否可以完全替换工厂中的所有电线，以及我们是否可以将无线超感知应用于控制。行业专家对第一个问题的意见有分歧。一些人认为这会发生，一些人认为某些核心领域永远不应该是无线的。本文将重点讨论第二个问题。
下一节将介绍无线控制的一般情况。一般的智慧是从简单到批判性。第一轮无线应用将用于监控，并最终进行监控。第三节研究无线HART控制。我们将讨论一些特定于无线哈特的主题；我们将讨论网关中的控制是最好的方式。在第四节中，我们讨论了在网关中进行控制的实验。我们描述了无线HART技术的现状以及我们如何进行实验。然后给出了结果，并进行了初步观察。第五节结束论文。
为了更好地理解这一点，本文讨论了一个处理领域内设备之间的无线通信，即低功耗、低数据速率和短距离无线通信。我们不处理现场和主机之间的无线通信，这有时被称为主干通信。
二、无线控制
当过程控制行业在几年前开始关注无线技术时，无线监控是重点。随着无线技术在监测应用中的全面建立，无线控制技术正走在最前沿，并为此进行了多项研究[7][8][9][10]。事实上，降低布线成本的需要使得无线控制不可避免。问题是什么时候。此外，无线技术的快速发展正在消除采用障碍。
在一个工艺装置中，有三组应用程序在运行，从辅助应用程序到关键应用程序。它们是C类监控应用程序、B类控制应用程序和A类安全应用程序。目前采用的无线技术是C级的。虽然B类的无线技术已经得到了认真的研究，但是A类的无线技术最终也会出现。B类可进一步分为监控控制、开环控制、闭环控制和临界控制。今天关于无线控制的讨论，包括本文中的内容，仍然处于控制频谱的低端。我们认为在这一点上提倡无线关键控制并不明智。
在工艺工程师欢迎无线进入工艺装置之前，必须回答以下问题：
bull;安全。第一个问题是露天通信的安全性。回答安全问题已经超出了本文的范围。可以说，安全问题很严重，但有一些建议的解决方案。
bull;可靠性。在工艺装置中，及时交付正确的数据是至关重要的，尤其是为了控制。然而，无线技术本质上是不可靠的。我们将在下面进一步讨论这个问题。
bull;安全。安全是加工厂最关心的问题。我们不能谈论安全，除非我们
高可靠性。在这方面，用于安全控制的无线系统仍有一些需要改进。
bull;速度。虽然我们使用“低数据速率”无线网络这个术语，但是无线网络的数据速率和传输延迟仍然可以与一些现场总线相媲美或优于。例如，WielsHART的底层数据速率是250kb/s，而基金会现场总线的数据速率是32.25kb/s。在无线哈特，单跳传输时隙是10ms，而基础现场总线上的通信时间在10ms到20ms范围内。
bull;电池寿命。配备无线电池供电设备。如果现场工程师必须不断地更换电池，那将是昂贵的。同样，这个问题也超出了本文的范围。我们知道，目前的商用无线设备可以在电池耗尽之前使用数年。
我们现在讨论无线控制中的可靠性问题。我们将在下面的小节中讨论如何提高可靠性；在后面的小节中，我们将讨论如何适应不可靠通信的控制。
A.提高无线可靠性
前提是，如果无线通信可以改进到与现场总线一样好的水平，那么可靠性问题将不再是一个问题。可靠性包括可用性、生存性、可靠性、完整性、安全性、可执行性等许多方面，我们将以无线哈特为例。
无线哈特标准通过多种尺寸的多样性实现了高可靠性：
bull;时间。所有非广播消息都需要在时间段内确认。失败时使用重试。
bull;空间。无线哈特网络使用网状拓扑结构；每个端对端对必须至少有2条活动路径。
bull;频率。无线哈特标准提供16个信道的跳频。
bull;代码和极性。无线哈特标准采用IEEE802.15.4标准，其编码和调制方法被证明是可靠的。
bull;命令串联。无线哈特将命令组合成长消息，通过计算可以显示这些消息，从而降低数据丢失率。
我们在奥斯汀德克萨斯大学Balcones实验室的一个实际工艺装置中观察到无线HART网络的数据丢失率为0%。
B．可靠性较低的控制
一种有效的无线控制方法是采用经典的控制策略来克服无线环境中的不利条件。在[6]中，我们采用了这种方法并提出了一种新的PID（比例、积分和导数）加算法。
经典的PID算法假定输入和输出路径是可靠的，并且定期进行更新。如果由于某种原因输入暂时丢失，那么PID将根据上一个良好值累积错误。一旦通信恢复正常，这将导致输出峰值和/或大进程振荡。如果输出通信中断，也会出现问题。当通信中断时，PID PLUS算法将冻结其执行。当通信恢复时，它通过考虑中断的持续时间来恢复执行。在[6]中的实验表明，采用PID PLUS可以改善工艺性能。当数据丢失率为0时，PID PLUS减小为PID。
PID PLUS还可用于主动减少流量，从而降低数据丢失的可能性。传感器可以使用基于异常的报告，而不是定期报告过程数据。在经典的控制原理中，异常报告通常用于非过程数据。
我们应该指出，即使我们已经达到了0的数据丢失率，经典的控制算法仍然必须在无线环境中进行调整。在最后一小节中，我们指出可以使用网格和多径路由来处理通信故障。结果是
图1。无线哈特网络
设备定期发布的数据可能以不同的延迟到达目的地，甚至出现故障。例如，在图1中的无线哈特网格中，来自设备3的数据可能有两条到网关的路由路径，一条通过设备2、设备1和接入点1，另一条通过路由器和接入点2。在两条线路上传输的数据没有相同的延迟。即使在同一路线上传输的数据也可能有不同的延迟。此外，通过一个路由的新值可能比通过另一个路由的旧值更早到达网关。这与有线现场总线不同，在有线现场总线中，数据可以按正确的顺序准时传递。一个好的无线控制方法应该能够处理抖动和无序数据值。
三、无线HART控制
从一开始，无线哈特就被用来支持测量和控制应用，尽管它的早期目标是过程监控。它采用的所有最先进的无线技术都旨在满足控制要求。在本节中，我们将了解如何使用无线哈特设计闭环控制回路。
HART标准创建于80年代后期。在最初的版本中，HART现场通信协议叠加在4-20mA信号上，提供与智能现场仪表的双向通信，同时不影响测量数据的完整性。最新版本的HART标准包括一个主要的新无线HART通信协议。无线HART标准利用现有标准，如HART标准、IEEE-802.15.4标准和DDL/EDDL（电子设备描述语言）。图1说明了具有所有基本设备类型的无线HART网络。在无线哈特中，协议通信使用一种称为时分多址（TDMA）的方法精确调度，以保证数据传输。还提供了其他功能以支持对无线的控制：Mesh体系结构提供从发布服务器到订阅服务器的多条路径；对计划进行排序，以便以正确的顺序进行测量和控制；Network Manager分配通信资源，并且对控制没有影响。
无线哈特应用层基于命令。所有命令都需要命令响应。传感器发布
图2。无线HART网关。
数据使用命令1、3、9等的响应格式，因此它们是主动请求的。命令79用于向执行器写入数据。对指令79的响应可能是执行器的反馈。
我们将借用功能块的概念来描述控制模块。功能块用于基金会现场总线。每个块封装一个控制算法。每个控制策略都可以定义为不同功能块的组合。
根据控制模块的位置，有三种控制类型：主机控制、网关控制和现场控制。我们将在无线哈特网的背景下讨论每一个问题。图2显示了一个扩大的网关，说明了数据流。来自传感器的已发布数据缓存在网关中，如果订阅了数据，网关可以进一步发布到主机。主机还向网关请求数据，后者将返回缓存的数据。
a．主机控制
无线哈特完全支持这种方法。网关没有更改。参考图2，控制模块在主机的功能块应用程序中运行。传感器数据被路由到网关缓存，网关将其转发到主机。控制数据被写入网关，网关将其封装在命令79中，并将其路由到执行器。执行器发出的指令79响应随后展开并转发给主机。如果主机支持HART，则在主机和网关之间传输时，数据可以打包在命令中。主机控制的缺点是网关和主机之间的通信延迟更大。环路延迟越长，控制性能越差。
b．网关控制
无线哈特完全支持这种方法。需要增强网关以允许配置和执行控制模块。参考图2，可以容易地将功能块应用层（例如由基金会现场总线开发的）添加到WielsHART网关。使用在网关中执行的功能块的控制性能将匹配，并且在某些情况下，由基金会现场总线设备提供的性能得到改善。
这种方法的一些好处包括：
bull;网络管理器为所有通信制定了确定的时间表。
bull;功能块执行可与IO通信完全同步。
bull;网关可能完全冗余。
C．现场控制
无线哈特仅部分支持这种方法。这种方法是基金会现场总线标准的一部分，在该标准中，设备支持一组功能块。通过将这些设备中的功能块放在一起，可以在这些设备之间单独实现控制回路。无线哈特具备支持现场控制所需的所有核心功能。它允许在设备之间创建对等会话；它提供发布/订阅功能；它具有同步通信；它具有完全定义的用户层。但是，它没有在设备中指定功能块。在无线HART设备中放置功能块可能不可取，因为：
bull;它迫使设备制造商理解控制。
bull;存在不一致的功能块实现。
bull;设备中存在不一致的功能块集。
bull;在设备中运行功能块可将电池使用量增加至多3倍；另一种方法是，在控制器或网关中运行功能块“plus”可通过利用异常报告技术将设备中的电池使用量减少至多20倍。
图3。无线HART网关设计
图4。无线哈特网关中控制的测试设置
四、无线哈特网关控制
我们认为，在无线哈特网关中进行控制是最好的方法。在本节中，我们将讨论在网关中进行控制的实验。图3是我们的网关设计，包括功能块应用程序。功能块应用程序可以定期运行或由传感器输入触发。
图4是我们的测试设置。网关和网络管理器在笔记本电脑上运行。接入点连接到笔记本电脑。我们有一个传感器，罗斯蒙特648无线HART H7温度传感器，以及一个用于执行器的原型无线电板。测试设置未连接到实际进程，
图5。Network Manager用户界面显示在这里并不重要，因为我们只对通信感兴趣。
图5是两个设备加入网络后网络管理器用户界面的屏幕截图。在左侧的网络拓扑中，红色节点是网关，黄色节点是接入点，两个蓝色节点是传感器和执行器。边缘上的数字表示节点之间的信号强度。我们可以看到三个节点之间形成了一个网格。表一是地址分配表。
表一
设备地址分配
|
接入点 |
0x00 01 |
|
传感器 |
0x00 02 |
|
执行机构 |
0x00 03 |
|
网关 |
0xF981. |
|
网络管理器 |
0xF980 |
在我们的测试中，传感器被配置为每4秒用命令1发布一次主值。当传感器数据到达网关时，功能块应用程序向执行器发出命令79，执行器作出响应。图形路由用于发送到网关的数据包；源路由用于输出到执行器。在执行器的源路由中，我们使用传感器作为路由设备。我们在本文前面提到，减少流量的一种方法是异常地发布值。我们这里不采用这种方法。而是定期传输数据。这是因为我们对数据流量可靠性感兴趣。lt;
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