无线HART协议概览

无线HART协议概览报告人：宁德魁沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部2什么是无线HART？无线HART是基于IEEE802.15.4，可在全球应用的2.4GHz频带，具有信道跳频、Mesh网络拓扑鲁棒性和信息安全的低功耗无线通信规范。它旨在为过程测量和控制提供有足够确定性、并具有可互操作性的无线通信标准。将无线通信纳入HART规范，将在HART原有一切功能的基础上进一步提升具有HART功能的现场仪表和主系统的技术能力。这就是说，有线HART和无线HART除了通信介质不同而产生的必要规范而外，它们运用同样的HART命令结构、同样的软件工具。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部3无线HART设计初衷为了满足过程工厂无线网络运行的独特要求，其基本性能包括：利用网状网络、跳频和时间同步通信等技术保证了无线抗干扰能力，也可以与其他无线网络的共存。通过加密、验证、认证和关键词管理保障网络通信的安全性和私密性。通过智能数据发布和其他技术提供高效能耗管理，可以为无线设备提供电池供电、太阳能供电和其他低能耗选择。正是基于这些特性，无线HART被认为是在未来ISA100的多项无线标准里面，能够满足用户无线过程自动化网络需求的最佳方案之一。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部4无线HART设计原则易用、可靠、与无线网格传感器协议兼容兼容的设备必须支持互操作性不同制造商的无线HART装置类型，无需系统操作即可被替换向后兼容核心HART技术HART命令结构设备描述语言（DDL）沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部5无线HART网络结构无线HART网络主要由三种元素组成：无线HART现场设备无线HART网关无线HART网络管理器另外，无线HART还支持：无线HART适配器无线HART手持设备沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部6无线HART关键特性物理层和MACPDU与IEEESTD802.15.4-2006兼容。基于HART通信协议，直接兼容现有HART设备、应用和工具。特别为过程自动化工业需求而设计。支持多种信息模式：过程控制数据的单向传送；异常数据自动通知；ad-hoc请求响应模式；海量数据装置的自动分段成组传输。AES-128位密码使用独立的Join和Session密匙和数据链路层网络密匙，通信非常安全。高可靠性、自修复、冗余通道mesh网络。安装简单、操作方便。空闲信道评估（CCA），信道跳频，黑名单和可调发射功率——可使无线HART网络与其他ISM频段设备更好的共存。所有信息预先完好定义，保证适当QoS（服务质量）信息递送。专用带宽保证高优先级和周期性通信。弹性共享带宽，保证事件通信和ad-hoc请求响应维护和诊断信息。支持更广范围的应用（如油库、管道），支持小型单元操作（如食品饮料、药物）。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部7无线HART通信模型物理层—IEEE802.15.4/2.4GHz(目前)915MHz(未来)数据链路层—以TDMA为基础、兼带CSMA增强混合协议数据包跳频网络层—以全网格拓扑结构为基线传输层—分隔在应用层与网络层之间会话层—包括在应用层内表示层—包括在应用层内应用层—用户定义/与电子设备描述语言EDDL物理层2.4GHz数据链路层TDMA网络层拓扑（星型/网格/簇型树状）安全层32-/64-/128位加密应用层HART命令/EDDL无线HART通信模型API无线HARTIEEE802.15.4用户芯片应用通信栈图例沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部8物理层基于IEEESTD802.15.4-2006兼容IEEE物理层协议数据单元。最大有效载荷127位频率（MHz）通信速率（kchip/s)）调制比特速率（kb/s）符号速率（ksymbol/s）发射功率2400-2483.52000O-QPSK25062.5+10dBm(10mW)±3dB沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部9数据链路层兼容IEEE802.15.4MACPDU.支持长短两种地址。基于HART唯一ID和HCFOUI识别码的EUI-64位地址。无线HART数据链路协议数据单元（DLPDU）指定附加位，确定无线HART信息包类型。总线仲裁：TDMA（在超帧中使用时间槽）每秒100个时间槽。所有设备支持都支持拥有不同时间槽的多超帧，允许快速（1秒）、慢速（分）、循环和非循环网络通信。可以通过带宽需求激活或关闭超帧。对于特定信息，在指定的时间槽和信道进行通信。在整个网络中，从时间信息到连续同步TDMA运行，都要进行信息包确认。连接使用超帧、时间槽和信道偏移，使临近设备间进行通信。连接可能是专用的（单一源设备）连接可能是多源间共享的，争抢存取。冲突使源头间随机推迟一个时间间隔。基于信息要素的报文跳频技术。频率选择基于连接的时间槽和信道偏移量。支持信道黑名单。根据时延管理和流控制确定的信息优先权。命令（高优先级）。任何数据包均包含网络管理负载。过程数据。任何信息包均包含过程数据（如命令3或9）。正常。DLPDUs达不到“命令”、“过程数据”、“警报”的标准。警报（低优先级）。信息包只包含着报警和事件信息。至多一个DLPDU拥有“警报”优先缓冲。设备缓冲区变满时，低优先级信息会被拒收。冗余通道可使其在拥堵时自动改道发送。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部10网络层拓扑：全无线网格网络。所有的网络设备都是全功能的，必须能收发信息包，必须支持路由经过其他网络设备。因为网络是多重冗余的，所以多条通信路径被确立并连续校验。一般地，良好结构的无线HART网络可靠性（信度）要好于3σ(99.7300204%)，通常达到6σ(99.9999998%)。信息路由选择为了更可靠和控制时延，网络提供冗余路径，可在上游下游图表中进行路由选择。为了ad-hoc通信，确认路径可行性，进行信源路由选择。支持广播、多点传送和单播传输。需求驱动的，动态网络带宽管理，导致对超帧和链接的配置/重新配置：配置现场设备时，带宽被请求或被释放以满足现场设备通信需求。如果在加入网络设备已经进行了配置，通信带宽将在加入网络后获得。Ad-hoc点对点通信(如DDL主应用程序)被监控，带宽被要求和释放，按需上下增减。共享插槽提供基本带宽和弹性带宽运用，而实现最小能量消耗。通过分配的高带宽传输通道，进行信息组传送。完成后带宽释放。简单传输层提供不确认和终端确认的通信。确认方式传输包括自动重试，以确认数据传输成功。传输层也支持大量数据集的类TCP可靠性信息块传送。数据集在源头设备自动分割，在目的地重新组装。信息组传送对于上层是透明的。网络性能持续监控、报告和网络整理：每个设备与邻近设备间的维护统计数据（例如，接收信号电平，数据包数量）。统计资料定期公布。设备监听并报告发现新的网络邻居。断开停止邻居连接报告。网络管理器整理网络确保信道备份、减少能耗，扁平化网络。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部11应用层无线HART使用标准HART应用层。HART命令是基于标准数据类型和程序的。规定了通用命令、普通命令、设备家族和无线命令。广泛的标准，和具体的设备状况（包括质量评估和状况），可以为所有的过程变量所用。通过详细说明的设备版本规则，决定设备改造，以保证向后兼容性。另外，HART的几个新的特点更好地促进了无线通信，也增强了有线HART的性能。智能数据发布，使过程数据信息只在需要时才生成。可以实时地，或由信号触发，或自定义时间开始发布。过程数据采样是可实时追踪，以减轻反应时间的变化影响。可以在特定时间使得多个设备同步运行触发测量（如振动分析仪）。命令集使得在一次传输中多次读取命令，以更快地上传配置。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部12安全性无线HART采用了强健的安全网络技术保证网络和数据始终处于保护之下。这些技术包括：加密——128位加密手段保护数据不被截获验证——信息完整性检测码验证每个数据包鲁棒运作——跳频和网状基础结构可以减缓网络拥堵和拒绝服务（DoS）攻击的情况密钥管理——旋转密钥可以避免未认证设备加入网络通信认证——未经认证的装置不允许进入网络中无线HART安全特性采用了符合当今工业标准的最佳实践技术，而且考虑了未来的开放式工业标准对安全的升级要求。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部13系统集成兼容现有HART工具，应用软件和系统集成技术。无线HART设备可以透明无缝地与主机控制系统应用软件集成。网关支持整合各级别系统（例如，通过标准HART多路复用协议、PROFINET或者PROFIBUS-DP)。现场设备必须包括维护接口，以连接现有HART工具。通过维护接口读取所有参数。DDL是非强制，却是核心的HART技术。无线HART设备的所有能力，通过设备描述进行存取并得以实现。附带设备描述的应用程序无需修改就可以与无线HART设备完全通信。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部14连接现有HART设备无线HART适配器支持现有HART现场设备连接无线网络：点-点和多支路的HART现场设备也许附属于其他适配器，其有权读取所有的辅助设备。无线HART适配器提供辅助设备的数据发布服务，即便这些设备不支持触发模式。为了支持现有HART工具，适配器必须在辅助设备网络上以令牌传递主从式运行。无线HART网关需要支持无线HART适配器。两者合作可以确保消息透明发送到附属设备。除了连接现有HART设备外，无线HART适配器也可包含自己的传感器或操作装置。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部15典型应用无线HART带来了过程监控和控制应用的新机会：设备和过程监控环境监测，能源管理，质量监督资产管理，预测维护，高级诊断闭环控制(在适合情况下)向无线HART网络添加新设备实际上改进了网络，增强了通信的可靠性。沈阳中科博微自动化技术有限公司仪表事业部16结束语谢谢！