網站首頁技術中心 > 工業無線協議的評估:WirelessHART

工業無線協議的評估:WirelessHART

發布時間:2021-07-04 點擊量:81

可以直接安裝 WirelessHART 儀表,也可配置有線 HART 到無線轉換的適配器

在進行技術評估時,工程師必須比較、權衡各種因素,例如科里奧利流量計與超聲波流量計在特定應用中的優缺點,是該使用有線通信還是使用無線通信,或者是使用哪種無線協議適合。進行這種類型的比較時,由于所涉及的因素和可能性比較多,因此很少有比工業無線協議更復雜的情況。

 

從市面上眾多的工業無線協議可以看出,每種協議都以特定方式進行了某種優化,以平衡相互影響的特性。這些需要考慮的性能包括:

 

• 功耗 :無線功能需要電源,增加功能會增加整體功耗,從而縮短電池壽命。

 

• 帶寬 :發送少量數據(例如一個過程變 量)更易于設計和實現;增加帶寬會增加功耗。 

 

• 更新頻率 :設備發送數據的頻率是多少?每天 1 次還是每分鐘 6 次?發送頻率乘以帶寬即可獲得總功耗。 

 

• 距離 :增加傳輸距離需要更大的功率,但是可以通過有效的天線設計和布置來優化。 

 

• 雙向性 :如果僅傳輸數據,設備設計相對就比較簡單,耗電也更少,但可實現的功能也受到限制 ; 

 

• 可靠性 :關鍵數據需要一種帶回執驗證的傳輸機制。或者它必須再次發送數據,直到成功為止。 

 

• 安全性 :只有預期的接收者才能理解數據。

 

如果工業無線設備位置固定,會使操作變得更復雜。通信兩端都固定在適當位置,也就無法在建筑物周邊移動以更好地接收信號。

工業無線應用的平衡點

 

讓我們考慮功能的兩個復雜應用 :智能手機和水表報告設備。智能手機具有能夠想到的所有功能 :雙向通訊、具有多個無線通道并可以處理大量數據,但可靠性較低。會有呼叫丟失、下載文件失敗的可能。由用戶決定是否再試一次。因此智能手機的電池壽命也相對較短。 

水表報告設備發送的數據包非常小,也許每個月只需發送一次,因此電池可以使用 10 年。它不具有雙向功能,如果接收系統錯過了傳輸,第二天可以重新發送。工業無線應用則介于兩者之間,需要找到一個合適的平衡點。 

 

十多年來,WirelessHART(已被國際電工委員會批準成為 IEC 62591)一直作為過程儀表、執行器和其他先進現場設備的最廣泛部署的無線協議服務于工業用戶(圖 1)。它優化了針對特定和關鍵應用的折衷方案,是一種安全、多供應商、可互操作的無線標準,旨在為過程監控和自動化應用提供高可靠、低延遲的連接。

 

圖 1 :WirelessHART 完全是為支持現場儀表而設計的。本文圖片來源 :艾默生

 

WirelessHART 使用 IEEE 802.15.4 無線電技術,該技術具有確定性的調度,再加上頻率、時間和路徑的多樣性,可以以極低的功耗實現可靠、確定的數據傳輸。當更新周期為 30 秒時,WirelessHART 儀表電池的預期壽命為 10 年,并且它還支持低延遲向下通信,且不會犧牲電池壽命,還可與大多數現有的手持式現場設備配合使用,以支持現場校準和診斷。 

 

它傳輸范圍相對較短,但是其自組織網狀技術可以將消息從一臺儀表傳遞到另一臺儀 表,或通過中繼器實現長距離傳輸或避免網絡中斷。該網絡的短距離和低帶寬可延長電池使用壽命,即使更新頻率較高也是如此。電池還可以為傳感器供電,例如用于測量壓力或溫度的傳感器,該傳感器同樣低功耗。這樣就可以將壓力、溫度和其它變送器安裝在同一裝置中,無需任何形式的外部接線。還可以通過添加適配器將任何啟用了 HART 協議的儀表,轉換為 WirelessHART。

 

不斷擴展的無線應用 

 

為過程儀表應用開發無線協議并通過所有認證程序,是一項耗時且費錢的工作。在進入工業儀表領域之前,開發人員通常會考察其它可能的應用。

 

一些較復雜的過程分析儀可能會產生大量數據,并使用工業以太網或 WiFi 輸出,但是由于能耗太高不適合使用電池供電。許多儀表還尚未使用互聯網連接和 IP 地址。從物聯網(IoT)涌現的技術,例如 LoRaWAN,正被作為連接工業、建筑自動化甚至住宅傳感器的方式在各種應用中推廣。

 

根據 LoRa 聯盟對該協議的描述,LoRaWAN 的網絡架構是以星型拓撲結構部署的,其中網關在終端設備和中央網絡服務器之間中繼消息。網關通過標準 IP 連接到網絡服務器,并充當透明網橋,只是將 RF 數據包轉換為 IP 數據包,反之亦然。無線通信充分利用 LoRa 物理層的遠程特性,在終端設備和一個或多個網關之間進行單點鏈接。所有模式都可以實現雙向通信,并且支持多信道尋址,以在執行諸如固件無線升級或其它批量發布消息之類的任務時,提供支持以便有效利用頻譜。

 

一些工業級的 LoRaWAN 設備已經上市, 宣稱其產品的傳輸范圍為 1 英里。但是,這種覆蓋范圍是以犧牲電池壽命為代價的,即使信息更新時間間隔為 1 小時,承諾的壽命也只有4 年。更新間隔較長,使其只能監視變化非常緩慢的過程變量。

 

走進工業領域的 5G

 

現在,5G 正在走向工業領域。大多數討論都集中在針對智能手機和平板電腦的增強型移動寬帶(eMBB)應用上,與針對虛擬現實媒體和超高清視頻的 4G 相比有了重大改進。eMBB 支持高達 20 Gbps 的數據速率,其流量是 4G 系統的 10,000 倍。而 5G 的另外兩個領域引起了工業用戶的關注 :

 

1. 超高可靠低時延通信 (uRLLC),可以為時延要求特別高的關鍵系統,如自動駕駛汽車和機器控制提供支持。URLLC 提供的傳輸延遲小于 1 毫秒,數據速率高達 10Mbps。 

 

2. 海量機器類通信(mMTC)技術,支持數據傳輸速率高達 100kbps 的機器對機器通信。mMTC 應用包括市政計量和智慧城市部署等,在這些應用中,可以接受極低的數據速率(比如每天一次或更少)和高延遲。 

 

許多設備供應商和終端用戶公司都期待著 WirelessHART 等工業協議與 5G 以及可能的其他無線協議的共存,以改變全球工業的未來。

上一篇:沒有了

下一篇:盤點加速度傳感器的三個技術指標

QQ在線客服
電話咨詢
  • 13918399443