無線HART標(biāo)準(zhǔn)是面向過程測量、過程控制和資產(chǎn)管理全面應(yīng)用的一種可靠的無線協(xié)議。基于成熟的HART協(xié)議，無線HART可以讓用戶在保持現(xiàn)有設(shè)備、工具和系統(tǒng)一致性的基礎(chǔ)上，快速方便地獲得無線技術(shù)帶來的好處。
開發(fā)無線HART技術(shù)的工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)廠商的設(shè)計(jì)初衷是為了滿足過程工廠無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的獨(dú)特要求，其基本性能包括：
●利用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh networking）、跳頻和時(shí)間同步通信等技術(shù)保證了無線抗干擾能力，也可以與其他無線網(wǎng)絡(luò)的共存。
●通過加密、驗(yàn)證、認(rèn)證、關(guān)鍵詞管理和其他開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)最佳實(shí)踐保障網(wǎng)絡(luò)通信的安全性和私密性。
●通過智能數(shù)據(jù)發(fā)布（Smart Data Publishing）和其他技術(shù)提供高效能耗管理，可以為無線設(shè)備提供電池供電、太陽能供電和其他低能耗選擇。
正是基于這些特性，無線HART被認(rèn)為是在未來ISA100的多項(xiàng)無線標(biāo)準(zhǔn)里面，能夠滿足用戶無線過程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)需求的最佳方案之一。
本文將總結(jié)無線HART的關(guān)鍵要點(diǎn)，包括以幾個(gè)決策選項(xiàng)作為無線過程自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)無線HART的選擇依據(jù)。
介紹
2007年9月，無線HART標(biāo)準(zhǔn)作為HART 7.0規(guī)范中的一部分進(jìn)行了正式發(fā)布，這成為過程運(yùn)行無線技術(shù)快速發(fā)展時(shí)代的一個(gè)重要里程碑。無線HART不但為過程應(yīng)用提供一種可靠的專用無線協(xié)議，而且也為用戶提供了一種行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，使其在進(jìn)行無線應(yīng)用決策時(shí)有選擇的依據(jù)。
什么是無線HART？
無線HART是一種針對(duì)過程自動(dòng)化應(yīng)用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。其目的是讓用戶在保持現(xiàn)有設(shè)備、工具和系統(tǒng)一致性的基礎(chǔ)上，為HART協(xié)議增加無線功能。
每一個(gè)無線HART網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)主要構(gòu)成：
●連接過程或工廠設(shè)備的無線現(xiàn)場裝置
●實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場裝置與上位主應(yīng)用程序通信的網(wǎng)關(guān)，主應(yīng)用程序則與高速骨干網(wǎng)或其他現(xiàn)有工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接。
●負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)備間通信調(diào)度、報(bào)文路由管理和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器可以集成到網(wǎng)關(guān)、主應(yīng)用程序或過程自動(dòng)化控制器當(dāng)中。
無線HART協(xié)議符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為專用于工業(yè)、科技和醫(yī)療應(yīng)用的2.4GHz寬帶信道。該頻率采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和跳頻技術(shù)來保證安全和可靠性，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。這一技術(shù)已經(jīng)在廣泛的過程控制工業(yè)中進(jìn)行了成熟的現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際的工廠安裝。
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，一個(gè)裝置無需直接與網(wǎng)關(guān)通信而只需要將其發(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，并增加了冗余通信路由能力，最終增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)可靠性。網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)隱式報(bào)文、有效性和可靠性要求決定冗余路由途徑。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。就如Internet技術(shù)中那樣，如果一條報(bào)文無法通過某一路由到達(dá)目的地，它將自動(dòng)重新路由到一條正確的冗余路徑上，而且數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。
網(wǎng)狀拓?fù)湟沧屘砑踊蛘邉h除網(wǎng)絡(luò)裝置變得容易。只要一個(gè)裝置與網(wǎng)絡(luò)中其他裝置屬于同一類別，就能夠直接進(jìn)行通信。
為了實(shí)現(xiàn)面向不同應(yīng)用要求的靈活性，無線HART協(xié)議支持多報(bào)文模式，包括過程和控制數(shù)值的單向發(fā)布模式，異常自動(dòng)通知模式、自組織分組（Ad hoc）網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求/響應(yīng)模式和大數(shù)據(jù)集的自分段塊傳輸模式。這些功能使得通信系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行定制，從而降低了能耗。
標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議
作為一項(xiàng)基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，無線HART體現(xiàn)了過程自動(dòng)化和工業(yè)無線領(lǐng)域的最佳理念和成果，為過程工業(yè)應(yīng)用中來自多家供應(yīng)商的智能測量和控制裝置提供了很好的互操作性。
無線HART規(guī)范創(chuàng)立的第一個(gè)面臨的選擇就是，是創(chuàng)建一個(gè)全新的協(xié)議還是建立在已具有良好基礎(chǔ)的HART協(xié)議之上？HART通信基金會(huì)（HCF）成員很快意識(shí)到，基于原有的HART協(xié)議進(jìn)行無線通信技術(shù)開發(fā)是最快捷、最容易、風(fēng)險(xiǎn)最低的方法，也是最終用戶更容易接受和實(shí)施的無線解決方案。
●適用性：HART技術(shù)的目的是幫助用戶解決過程測量和控制問題，這些問題無論對(duì)有線還是無線技術(shù)都是一樣的。如今有線HART裝置的廣泛應(yīng)用表明，HART通信技術(shù)可以解決絕大多數(shù)的過程應(yīng)用問題。HART協(xié)議主要支持
●熟悉度：全球至少安裝了2400萬個(gè)HART裝置，這些現(xiàn)場用戶已經(jīng)具備了HART工具、培訓(xùn)知識(shí)和相應(yīng)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。比起采用全新的無線協(xié)議，HART無線協(xié)議規(guī)范所帶來的變動(dòng)更小。
●使用簡便：HART技術(shù)之所以得到普遍應(yīng)用，很大的原因在于它便于實(shí)施和使用，因此可以幫助用戶很快得到無線技術(shù)帶來的好處。
●技術(shù)支持和穩(wěn)定性：大量的安裝基礎(chǔ)和相當(dāng)數(shù)量的HART產(chǎn)品提供商的存在，加上HART通信基金會(huì)（HCF）的大力推廣，為該協(xié)議的使用提供了保障。
●時(shí)間節(jié)?。簩?/FONT>無線功能加到現(xiàn)有協(xié)議中而不是重新開始設(shè)計(jì)全新的協(xié)議的做法，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，能夠迅速得到采用。同時(shí)，還有利于原有的HART有線產(chǎn)品設(shè)備制造商快速提供無線裝置產(chǎn)品。
●低風(fēng)險(xiǎn)：在現(xiàn)有協(xié)議基礎(chǔ)上的無線規(guī)范可以大大減少技術(shù)實(shí)現(xiàn)或者開發(fā)過程中不可預(yù)見的問題，也讓用戶能夠盡快用上可靠的無線技術(shù)。
采用HART無線技術(shù)還可以提供新標(biāo)準(zhǔn)或其他無線標(biāo)準(zhǔn)無法獲得的好處。目前大量已安裝的HART裝置中，由于其主系統(tǒng)不能訪問數(shù)字化HART數(shù)據(jù)，很多儀表診斷功能已經(jīng)失效。無線HART的適配器功能提供了一種與資產(chǎn)管理系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫等其他工具的通信機(jī)制，從而讓這些診斷數(shù)據(jù)發(fā)揮作用。這一需求的釋放使得制造商們?cè)敢饪焖匍_發(fā)出無線HART產(chǎn)品，也讓用戶愿意采用無線技術(shù)。
工作的正確工具
無線技術(shù)可以在很多場合進(jìn)行應(yīng)用，無論是物理上無法或難以進(jìn)行的測量要求，還是工廠級(jí)的資產(chǎn)與人員跟蹤、安全和工人生產(chǎn)效率監(jiān)控的要求。
然而，無線HART規(guī)范工作組也認(rèn)識(shí)到，沒有一種技術(shù)能夠適合所有的應(yīng)用。因此工作組的開發(fā)重點(diǎn)是面向那些沒有合適無線標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵過程自動(dòng)化應(yīng)用場合。
與有線HART一樣，無線HART技術(shù)支持全部過程監(jiān)控應(yīng)用，包括：設(shè)備和過程監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視、能源管理、法規(guī)遵循、資產(chǎn)管理、預(yù)測性維護(hù)、先進(jìn)診斷、閉環(huán)控制等等。
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HART通信基金會(huì)的會(huì)員企業(yè)通過來自最終用戶的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為無線HART協(xié)議的最終制定提供了各種支持。
無線技術(shù)是有線儀表的補(bǔ)充而非替代，工廠經(jīng)常會(huì)同時(shí)都有二者的應(yīng)用。無線HART技術(shù)的向下兼容性，包括HART指令結(jié)構(gòu)和設(shè)備描述語言DDL的兼容，都使得它很容易實(shí)現(xiàn)用同一工具支持有線和無線裝置。
無線HART已不僅僅能提供互換性，而且是提供真正的互操作性。也即是說，用戶可以任意選擇最佳的無線HART設(shè)備而無需考慮供應(yīng)商的問題，兼容設(shè)備可以在一個(gè)系統(tǒng)中共同工作，而且在主系統(tǒng)層進(jìn)行互換也不會(huì)損失某些功能，就像今天的HART設(shè)備那樣。
現(xiàn)場總線基金會(huì)（FF）和PROFIBUS組織已經(jīng)與HART通信基金會(huì)共同簽署了一項(xiàng)協(xié)議，準(zhǔn)備為無線網(wǎng)關(guān)開發(fā)一個(gè)通用的接口規(guī)范。其目標(biāo)是保證每個(gè)組織的現(xiàn)有協(xié)議版本能夠?qū)崿F(xiàn)完整的兼容性。
事實(shí)上，如今每一個(gè)過程自動(dòng)化需求都有相應(yīng)的有線HART產(chǎn)品支持和滿足。無線HART為HART設(shè)備的通信提供了另一種簡單途徑。
可靠性
無線HART具有幾項(xiàng)針對(duì)工廠環(huán)境的可靠通信特性，適用于高密度基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境、大型運(yùn)輸車或設(shè)備的移動(dòng)環(huán)境，周圍條件常變的環(huán)境，以及射頻、電磁干擾較大的環(huán)境等。
冗余網(wǎng)狀路由（空間分集）--無線HART網(wǎng)狀拓?fù)涞淖越M織和自愈特性使網(wǎng)絡(luò)長期擁有自主可靠性和魯棒性。當(dāng)有干擾或者其他物體阻隔通信線路時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)立即自動(dòng)路由傳送數(shù)據(jù)以保持暢通。由于無線HART采用了冗余網(wǎng)狀拓?fù)涞膬?yōu)化路徑，所以可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)可靠性。
跳頻（頻率分集）--與其他使用2.4GHz頻段的技術(shù)一樣，無線HART也會(huì)受到來自其他網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源的干擾。為解決這一問題，無線HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4頻率標(biāo)準(zhǔn)下16個(gè)信道之間的跳頻，靈活地解決了干擾的問題而不是進(jìn)行暴力破解。同時(shí)，還可以采用每次發(fā)送前的空閑信道評(píng)估（CCA）技術(shù)和信道"黑名單"技術(shù)避免特定區(qū)域的干擾，也同時(shí)將對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)的干擾降到最低。
時(shí)間同步通信（時(shí)間分集）--所有設(shè)備間的通信在一個(gè)預(yù)設(shè)時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了高可靠（無碰撞）、高能效和可伸縮通信，增強(qiáng)了互操作性和易用性。每條報(bào)文都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)定義以保證合適的服務(wù)質(zhì)量QoS傳輸要求。固定的時(shí)間片劃分也可以讓網(wǎng)絡(luò)管理者為任何應(yīng)用創(chuàng)建一個(gè)無需用戶干預(yù)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)的，如果采用可變時(shí)間片或者非同步通信方式，則會(huì)造成復(fù)雜的用戶配置、低質(zhì)量的QoS、高能耗和不可靠的通信結(jié)果。
其他技術(shù)諸如直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)（編碼分集）和可調(diào)發(fā)射功率（功率分集）可以幫助無線HART哪怕處于各種其他無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中也能實(shí)現(xiàn)可靠的通信。
無線HART有專門針對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)共存情況下的設(shè)計(jì)，甚至包括那些不遵循IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)系列的網(wǎng)絡(luò)。它不但自己具有容錯(cuò)性，還考慮了其他網(wǎng)絡(luò)的影響，可以在干擾情況下保證正常工作，能夠高效地利用帶寬，同時(shí)避免造成對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。
安全性
無線HART采用了強(qiáng)健的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)始終處于保護(hù)之下。這些技術(shù)包括：
●加密--128位加密手段保護(hù)數(shù)據(jù)不被截獲
●驗(yàn)證--信息完整性檢測碼驗(yàn)證每個(gè)數(shù)據(jù)包
●魯棒運(yùn)作--跳頻和網(wǎng)狀基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以減緩網(wǎng)絡(luò)擁堵和拒絕服務(wù)（DoS）攻擊的情況
●密鑰管理--旋轉(zhuǎn)密鑰可以避免未認(rèn)證設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)通信
●認(rèn)證--未經(jīng)認(rèn)證的裝置不允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中
無線HART安全特性采用了符合當(dāng)今工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最佳實(shí)踐技術(shù)，而且考慮了未來的開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全的升級(jí)要求。
供電
無線HART允許用戶和裝置設(shè)計(jì)人員根據(jù)要求選擇最佳的供電方式。包括長壽命電池、太陽能電池、線性電源和回路電源。
真正"無線"的設(shè)備是沒有有線電源的，才可以提供最大的靈活性和更低的安裝成本，但這樣需要將能源的消耗降到最低以延長電池壽命或者利用其他非連線的電源，如太陽能。
這就是為什么無線HART開發(fā)組要認(rèn)真平衡每一項(xiàng)潛在需求對(duì)電源的要求。因此，整個(gè)協(xié)議都追求低電能運(yùn)行，我們以智能數(shù)據(jù)發(fā)布和異常通知功能為例：
●智能數(shù)據(jù)發(fā)布--HART協(xié)議一直是可以通過"猝發(fā)方式(Burst mode) "來發(fā)布過程數(shù)據(jù)的。智能數(shù)據(jù)發(fā)布則強(qiáng)化了這一功能，只有在過程條件改變或者用戶應(yīng)用要求信息提供的時(shí)候才發(fā)布數(shù)據(jù)，從而大大提高了通信和電源效率。
●異常通知--當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)、設(shè)備配置變更或者發(fā)生影響操作的事件時(shí)，用戶可以自動(dòng)獲得異常情況通知。這一通知只是當(dāng)異常事件發(fā)生時(shí)才會(huì)"推送"給用戶，系統(tǒng)就不需要輪詢每一個(gè)設(shè)備來隨時(shí)確認(rèn)其正常運(yùn)行，從而大大減少了能耗--因?yàn)槊看屋喸儼l(fā)送的信息包都要耗費(fèi)電池能量。
無線HART與SP100
多種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注某一技術(shù)的不同層面或者共同合作開發(fā)同一技術(shù)的情況屢見不鮮。由于無線HART專門用于過程測量和控制應(yīng)用，它自然也可用于工廠和其他過程操作中，而這些應(yīng)用中同樣還存在其他無線技術(shù)（如基于WiFi的骨干網(wǎng)、射頻識(shí)別、工廠安全）
因此，HCF和ISA合作研究無線HART協(xié)議與ISA100系列標(biāo)準(zhǔn)的互支持工作就具有重要意義。事實(shí)上，無線HART和SP100的工作組有很多相同的成員。二者共同幫助用戶獲得無線技術(shù)的好處是值得提倡的。
SP100工作組也會(huì)基于無線HART的工作成果，將無線HART協(xié)議吸收到更廣泛的ISA無線系列標(biāo)準(zhǔn)之中。相對(duì)ISA100的眾多工作目標(biāo)，SP100.11工作組的近期重點(diǎn)則是無線過程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。至今，SP100.11工作組在進(jìn)行過程無線操作的魯棒應(yīng)用方面決策時(shí)，很大程度地考慮了與無線HART標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范的一致性。
將無線HART規(guī)范吸收到ISA100系列標(biāo)準(zhǔn)能為用戶獲得無線HART帶來的所有優(yōu)勢，而且能夠加快ISA100的開發(fā)工作，是ISA100開發(fā)組可以將精力集中在工廠應(yīng)用的工具和最佳實(shí)踐開發(fā)上面，例如無線物理安全監(jiān)視、語音通信和移動(dòng)工人支持工具等。
在ISA100的標(biāo)準(zhǔn)框架下，無線HART協(xié)議為實(shí)現(xiàn)用戶的無線過程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)需求提供了最佳的解決途徑。無線HART工作組也考慮了其他解決途徑，例如跨無線網(wǎng)絡(luò)的隧道數(shù)據(jù)技術(shù)，但后來意識(shí)到，這些技術(shù)手段都在能源使用、復(fù)雜性和功能簡化方面存在不同的本質(zhì)缺陷。作為有線與無線協(xié)議之間的接口，隧道并非一種有效的技術(shù)途徑，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)包的打包過程會(huì)耗費(fèi)更多的電源，而且需要用戶學(xué)習(xí)和支持兩種協(xié)議。
其他數(shù)字總線協(xié)議的無線版本，例如基金會(huì)總線或PROFIBUS，不太可能這么快出現(xiàn)，因?yàn)樾枰獙?duì)整個(gè)協(xié)議進(jìn)行大量的重新設(shè)計(jì)。如果需要訪問其他總線設(shè)備，可以基于無線HART網(wǎng)絡(luò)之上進(jìn)行通信訪問。正如之前所講到的，HCF、FF和PNO已經(jīng)達(dá)成協(xié)議準(zhǔn)備開發(fā)一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)的通用接口規(guī)范。這種通用規(guī)范將采用網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的方式而非隧道方式，網(wǎng)關(guān)的電氣和計(jì)算供電是足夠的。
支持
成立于1993年的HART通信基金會(huì)（HCF）是HART協(xié)議的技術(shù)擁有者和監(jiān)管者，并為HART技術(shù)應(yīng)用提供全球支持。HCF負(fù)責(zé)管理和控制HART標(biāo)準(zhǔn)，包括新技術(shù)開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用推廣。最終用戶可以放心地使用這一由基金會(huì)長期支持和維護(hù)的技術(shù)。
（轉(zhuǎn)載）
