评估工业应用的物联网无线协议

在进行技术评估时，工程师必须权衡利弊，比如在特定的应用中权衡科里奥利和超声波流量计的优缺点，是否应该使用有线或无线通信，或者使用哪种无线协议。在进行这些类型的比较时，由于涉及的因素和许多可能性，很少有情况比工业无线协议更复杂。

看看工业无线协议的列表，每个协议都以特定的方式进行了优化，以平衡交互特性。这些包括:

• 能源消耗:无线功能需要电力，但增加功能会增加整体消耗，从而缩短电池寿命。
• 带宽:发送少量数据(比如单个进程变量)更容易设计和实现，因为增加带宽会增加功耗。
• 更新率:设备发送数据的频率是多少?一天一次还是每分钟六次?用发送频率乘以带宽计算总功耗。
• 距离:增加传输距离需要更多的功率，但可以帮助有效的天线设计和布局。
• 双向性:只传输数据的设备设计起来更简单，耗电也更少，但缺乏许多有用的功能。
• 可靠性:关键数据需要一种机制，通过返回确认来验证传输。否则，它必须再次发送数据，直到成功为止。
• 安全:只有预期的接收者应该能够理解数据。

工业无线设备的操作由于其固定的位置而更加复杂。通信的两端被锁定在一个地方，不能移动周围的建筑更好的接收。

具体的用例示例

考虑两个极端的功能:智能手机和水表报告设备。这款智能手机拥有所有你能想到的功能:它是双向的，有多个收音机，可以处理大量数据，但可靠性很低。电话会被挂断，下载文件也可能是偶然的。这取决于用户是否再试一次。智能手机的电池寿命也很短。

水表报告装置发送非常小的数据包，可能一个月只有一次，所以电池可以持续10年。它没有双向能力，所以如果接收系统错过了一次传输，它可以明天再试一次。

工业应用介于这两个极端之间，需要找到适当的平衡。

针对现场设备进行优化

超过13年,WirelessHART(采用国际电工委员会IEC 62591)曾工业用户的广泛部署的无线协议过程仪表、执行器和其他先进的现场设备(图1)。这对这个特定的优化讨论的权衡和关键应用程序。

WirelessHART是一种安全、多供应商、可互操作的无线标准，旨在为过程监控和自动化应用程序提供高可靠、低延迟的连接。

WirelessHART使用具有确定性调度的IEEE 802.15.4无线电技术，加上频率、时间和路径分集，以使用很少的功率实现可靠、确定性的数据传输。WirelessHART仪器的电池寿命预计为10年，更新周期为30秒，还支持低延迟下游通信，而不牺牲电池寿命，它与大多数现有手持现场设备一起工作，支持现场校准和诊断。

它的范围相对较短，但它的自组织网状技术可以将信息从一个仪器传递到另一个仪器，或通过中继器，以覆盖较长的距离或避免网络中断。该网络的短范围和低带宽延长了电池寿命，即使频繁更新。这种电池还可以为传感器供电，例如测量压力或温度，这同样具有低功耗。这使得在一个单元中制造压力、温度和其他变送器作为本地仪器成为可能，不需要任何外部布线。通过添加适配器，任何支持hart的仪器都可以转换为WirelessHART(图2)。

WirelessHART仪器的数量多年来一直在增长，扩展了过程仪器和基本分析仪的目录。

扩展无线协议的应用和市场

开发无线协议并通过所有的审批程序是一项耗时且昂贵的工作。在进入工业仪表领域之前，开发人员通常会探索其他可能的应用程序和客户。

一些更复杂的过程分析仪产生大量的数据，并使用工业以太网或Wi-Fi输出，但它们的能量消耗不适合电池供电。将互联网连接和IP地址扩展到大量单个仪器的想法也没有流行起来。

物联网网络扩展

来自物联网(IoT)的技术，如LoRaWAN，正作为连接工业、建筑自动化甚至住宅传感器的多种应用的方式得到推广(图3)。

的罗拉联盟协议描述:“LoRaWAN网络架构部署在星形拓扑结构中，网关在终端设备和中央网络服务器之间中继消息。网关通过标准的IP连接连接到网络服务器，并充当一个透明的桥接器，简单地将射频包转换为IP包，反之亦然。无线通信利用了LoRa物理层的远程特性，允许在终端设备和一个或多个网关之间建立单跳链路。所有模式都能够进行双向通信，并且支持多播寻址组，以便在固件无线升级或其他大规模分发消息等任务期间有效利用频谱。”

一些工业LoRaWAN设备已经上市，其续航里程为1英里。然而，这一覆盖范围是以电池寿命为代价的，即使是一个小时的更新速度，这款设备也承诺只能使用四年。较长的更新速率限制了这种方法对移动非常慢的过程变量的监控。

智能手机以外的5G应用

最新一代的蜂窝连接技术5G正在深入工业世界。大多数一般性讨论集中在智能手机和平板电脑的增强移动宽带(eMBB)上，与用于虚拟现实媒体和超高清视频的4G相比，这一技术有了重大改进。eMBB支持高达20gbps的数据速率，流量高达4G系统的10,000倍。

另外两个领域也引起了工业用户的注意:

1. 超可靠低延迟通信(URLLC)为需要极低延迟的关键系统提供支持，如自动驾驶车辆和机器控制。URLLC提供的传输延迟小于1毫秒，数据速率高达10 Mbps。与eMBB一样，URLLC也依赖5G新无线电(5G NR)的使用。
2. 大规模机器通信(mMTC)支持数据速率高达100kbps的机器对机器通信。mMTC应用包括市政计量和智能城市部署，在这种情况下，极低的数据速率(例如，每天一次或更少)和高延迟是可以接受的。

适用于仪器仪表，过程网络?

是否有理由预计5G或LoRaWAN无线处理网络将取代WirelessHART或其他工业仪器网络，主要是ISA 100?一切皆有可能，但到目前为止，没有任何迹象表明WirelessHART已经达到了它的技术极限，或者新产品已经在有用的功能方面取得了飞跃。先进仪器设备的复杂性不断提高，WirelessHART一直保持着步伐。

选择回程

WirelessHART仪器和现场设备将其数据发送到网关，网关将数据传递到自动化主机系统(用于流程仪器)或维护部门(用于资产运行状况监控)。在大多数典型的流程工厂环境中，这些连接是通过Modbus或工业以太网进行的。

在大型设施(如炼油厂)中，多个网络可能并行运行，每个生产单元可能有一个或多个网络，从而产生多个网关。在这种情况下，工厂的有线以太网可能需要扩展，或者网关可以与Wi-Fi路由器连接，将积累的数据传递到需要的地方。

这很简单，但WirelessHART的多功能性使得它可以安装在普通工厂以外的各种应用中。例如，一个偏远的油气井或气井场(图4)、管道压缩站或类似的安装可能有十几台或更多的WirelessHART仪器。数据如何从网关到达系统和需要它的人?多年来，从卫星到手机，有各种各样的选择。

5G似乎提供了为个别工厂或远程地点提供这一关键回程功能的可能性，使WirelessHART数据能够短距离或远程传输到云或私人网络(图5)。

许多网关已经连接到蜂窝调制解调器，实现操作过程监控和控制，以及对关键工厂资产的远程预测维护。5G将改善这一现有能力。

可靠的性能和可用性

除非供应商确信有足够的客户需求来证明投资产品开发是合理的，否则一项新技术在市场上是不可行的。WirelessHART必须证明其技术能力，然后供应商才会采取下一步措施，开始填充产品管道。

过程制造商通常是保守的，但逐渐相信WirelessHART的可靠性，并开始采用它，最初是一次一点，但后来更广泛。这很快引发了网络和设备数量不断增加的螺旋式上升，从而推动了更多设备、更多供应商、更多网络管理工具和更满意的用户的开发。

如今，WirelessHART已经拥有超过45000个网络，连接着来自各种供应商的数百万个独立设备，是一项成熟的技术，但它仍在发展中。

在可预见的未来，5G蜂窝网络和LoRaWAN仪表都不可能取代WirelessHART仪表用于典型的工业过程自动化应用。事实上，HART和WirelessHART仪器仪表的前景依然强劲，因为输入/输出(I/O)密度随着新设备和现有设备的规模和复杂性不断增加。用户喜欢它的低延迟下游通信、长电池寿命和与大多数现有手持现场设备一起工作的能力，以支持现场校准和诊断。

在当今的工业环境中，没有一种无线协议能够解决所有的应用。许多设备供应商和终端用户公司都期待着WirelessHART等工业协议与5G以及可能的其他无线协议共存，共同努力改变全球工业的未来。

安德鲁Cureton，普适感应产品经理，爱默生．由副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE Media and Technology，cvavra@cfemedia.com．

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关键词:WirelessHART，过程仪表，现场仪表

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有什么好处你们的生产设备能从无线协议中获益吗?