Thiết kế và mô phỏng hệ thống đo lường điều khiển sử dụng wirelesshart (iec 62591, iee 802 15 4)

CAO NGỌC KHÁNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

CAO NGỌC KHÁNH

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HĨA

THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG WIRELESSHART
IEC
IEEE 802.15.4)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KHOÁ 2017A
Hà Nội - Năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------CAO NGỌC KHÁNH

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG WIRELESSHART
IEC
IEEE 802.15.4)

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. BÙI ĐĂNG THẢNH

Hà Nội - Năm 2018


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp “Thiết kế và mô phỏng hệ thống đo lường
điều khiển sử dụng

ir l ss

6 5

IEEE 802.15.4)” do tôi tự thiết kế

dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Bùi Đăng Thảnh. Các số liệu và kết quả là hoàn
toàn đúng với thực tế.
Để hồn thành luận văn này tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018
Học viên cao học

Cao Ngọc Khánh

1


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Bùi Đăng Thảnh, thầy đã
có nhiều hướng dẫn và xét đánh giá đối với luận văn này, để luận văn được hoàn
thành với chất lượng khoa học và tiến độ.
Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Pouria Zand đã cho phép tôi sử dụng bộ
thư viện WirelessHART trên NS-2, cảm ơn chuyên gia Knud Larsen tại diễn đàn
LinuxQuestion và các chuyên gia về WirelessHART của Emerson đã giải đáp cho
tôi các thắc mắc trong suốt q trình nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã tạo điều kiện cho tơi được tập trung
nghiên cứu trong gần 1 năm qua.

2


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................8
DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................10
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ WIRELESSHART ..11
1.1 Giới thiệu chung .............................................................................................11
1.2. Kiến trúc hệ thống mạng WirelessHART ..................................................13
1.2.1 Công nghệ WirelessHART .........................................................................13
1.2.2 Kiến trúc mạng WirelessHART .................................................................15
1.2.3 Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển có sử dụng WirelessHART.........23
1.3 Truyền thơng trong mạng WirelessHART ..................................................24
1.3.1 Lớp Vật lý ..................................................................................................25
1.3.2 Lớp Liên kết dữ liệu ...................................................................................28
1.3.3 Lớp Mạng ..................................................................................................33
1.3.4 Lớp Vận tải ................................................................................................36
1.3.5 Lớp Ứng dụng ............................................................................................37
1.4 Bảo mật trong mạng WirelessHART ...........................................................39
1.4.1 Thuật toán CCM* ......................................................................................39
1.4.2 Các loại khóa mạng ...................................................................................39
1.4.3 Bảo vệ dữ liệu ............................................................................................41
1.4.4 Bảo vệ mạng ..............................................................................................42
1.5 Các công nghệ không dây khác ....................................................................42

3

Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

1.5.1 Zigbee ........................................................................................................43
1.5.2 ISA 100.11a ...............................................................................................44
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO
LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG WIRELESSHART ......................................48
2.1 Thiết bị và giải pháp công nghệ ....................................................................48
2.1.1 Emerson Wireless 1420 Gateway ..............................................................49
2.1.2 Emerson Wireless 775 THUM Adapter .....................................................50
2.1.3 Rosemount 3051S Wireless In-Line Pressure Transmitter .......................51
2.1.4 Rosemount 648 Wireless Temperature Transmitter ..................................52
2.1.5 Fisher 4320 Wireless Position Monitor ....................................................52
2.2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển sử dụng WirelessHART ..............55
2.2.1 Dự án sử dụng công nghệ WirelessHART .................................................56
2.2.2 Cách tiếp cận mạng có dây truyền thống ..................................................56
2.2.3 Cách tiếp cận WirelessHART ....................................................................57
2.2.4 Lựa chọn công nghệ WirelessHART .........................................................58
2.2.5 Triển khai thực hiện ..................................................................................63
2.2.6 Xác lập bảo mật .........................................................................................71
2.2.7 Lắp đặt thiết bị ..........................................................................................73
2.2.8 Cài đặt mạng .............................................................................................75
2.2.9 Quy trình kiểm tra các kết nối khơng dây .................................................75
2.2.10 Quy trình kiểm tra tồn bộ mạng khơng dây ...........................................77
2.2.11 Phần mềm AMS SNAP-ON ......................................................................78
CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TRUYỀN THÔNG MẠNG WIRELESSHART
BẰNG PHẦN MỀM MƠ PHỎNG NS-2...............................................................80
3.1 Các cơng cụ mơ phỏng WirelessHART .......................................................80

3.1.1 NS-2 ...........................................................................................................80
3.1.2 NS-3 ...........................................................................................................81

4


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

3.1.3 TrueTime ...................................................................................................82
3.2 Netwok Simulator 2 .......................................................................................83
3.2.1 Kiến trúc chương trình NS-2 .....................................................................83
3.2.2 Ngơn ngữ C++ và OTcl ............................................................................85
3.3 Mơ phỏng mạng WirelessHART cỡ nhỏ......................................................85
KẾT LUẬN ..............................................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................95
PHỤ LỤC .................................................................................................................97

5


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledgement

ACL

Access Control List

AES

Advanced Encryption Standard

ARQ

Automatic Repeat Request

CCA

Clear Channel Assessment

CCM

Counter with CBC-MAC

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access

DCS

Distributed Control System

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

FEED

Front End Engineering Design

FFD

Full Function Device

FHSS

Frequency-Hopping Spread Spectrum

HART

Highway Addressable Remote Transducer

IEC

International Electrotechnical Commission

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

I/O

Input/Output

ISA

International Society of Automation

ISM

Industrial Scientific Medical

OPC

Object Linking and Embedding for Process Control

OSI

Open Systems Interconnection

LR-WPAN

Low-rate Wireless Personal Area Networks

MAC

Medium Access Control

6

Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

MIC

Message Integrity Code

NAM

Network Animator

NEMA

National Electrical Manufacturers Association

NS

Network Simulator

PHY

Physical Layer

P&ID

Piping & Instrument Diagram

PID

Proportional Integral Derivative

PLC

Programmable Logic Controller

O-QPSK

Offset Quadrature Phase Shift Keying

OTcl

Object Command Tool Command Language

RFD

Reduced Function Device

RSSI

Received Signal Strength Indication

TDMA

Time Division Multiple Access

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol

UDP

User Datagram Protocol

WPAN

Wireless Personal Area Networks

7


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.1: Q trình phát triển của giao thức truyền thơng HART ........................11
Hình 1.1.2: Logo nhận diện của giao thức WirelessHART ......................................12
Hình 1.2.1: Topology điển hình của một mạng WirelessHART ..............................16
Hình 1.2.2: Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển sử dụng kết hợp HART có dây
và WirelessHART .....................................................................................................24
Hình 1.4.1: Bảo mật trong mạng WirelessHART .....................................................40
Hình 1.5.1: Đánh giá ứng dụng các cơng nghệ khơng dây .......................................44
Hình 1.5.2: Topology mạng ISA 100.11a .................................................................45
Hình 1.5.3: Gateway và Thiết bị Trường ISA 100.11a của hãng Yokogawa ...........47
Hình 2.1.1 Bộ thiết bị và phần mềm WirelessHART của hãng Emerson .................48
Hình 2.1.2: Sản phẩm Emerson Wireless 1420 Gateway .........................................50
Hình 2.1.3: Emerson Wireless 775 THUM Adapter .................................................51

Hình 2.1.4: Rosemount 3051S Wireless In-Line Pressure Transmitter ....................51
Hình 2.1.5: Rosemount 648 Wireless Temperature Transmitter ..............................52
Hình 2.1.6: Fisher 4320 Wireless Position Monitor .................................................53
Hình 2.2.1: Chu trình một dự án thơng thường .........................................................56
Hình 2.2.2: Đánh giá mức ứng dụng của các cơng nghệ khơng dây ........................59
Hình 2.2.3: So sánh chi phí của dự án cơng nghệ có dây và khơng dây ...................61
Hình 2.2.4: Sơ đồ P&ID cho vịng lặp kín bằng HART có dây, Foudation Fieldbus
và WirelessHART .....................................................................................................62
Hình 2.2.5: Ví dụ về sơ đồ thiết bị q trình cơng nghệ trong nhà máy ...................64

8


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Hình 2.2.6: Chương trình ước tính số nút cho một Gateway của hãng Emerson .....67
Hình 2.2.7: Chương trình quản lý redundancy cho Gateway ...................................68
Hình 2.2.8: Xác lập bảo mật trên Gateway ...............................................................72
Hình 2.2.9: Ví dụ lắp đặt Gateway trong Control Room ..........................................74
Hình 2.2.10: Chương trình quản lý thiết bị và đánh giá độ ổn định .........................78
Hình 2.2.11: Chương trình ASM Snap-ON ..............................................................79
Hình 3.2.1: Kiến trúc cơ bản của chương trình NS-2 ...............................................84
Hình 3.2.2: Cấu trúc ngơn ngữ lập trình của NS-2 ...................................................85
Hình 3.3.1: Các file thư viện WirelessHART ...........................................................86
Hình 3.3.2: Chương trình mơ phỏng hoạt họa nam ..................................................89
Hình 3.3.3: Lưu đồ kịch bản mơ phỏng truyền thơng ...............................................90
Hình 3.3.4: Năng lượng cịn lại các nút sau khi kết thúc mơ phỏng .........................91
Hình 3.3.5: Biểu đồ năng lượng cịn lại của các nút bằng xgraph ............................92

Hình 3.3.6: Tổng số packet đã truyền và nhận trong q trình mơ phỏng................92

9


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.3.1: Protocol Stack của giao thức WirelessHART .......................................25
Bảng 1.5.1: So sánh tổng hợp các công nghệ không dây..........................................43
Bảng 2.1.1: Tổng hợp thiết bị của ABB, Emerson và Siemens ................................55
Bảng 2.1.2: Danh sách thiết bị trong hệ thống đo lường điều khiển.........................55
Bảng 2.2.2: Lựa chọn giao thức phù hợp ..................................................................60
Bảng 2.2.3: Lựa chọn các loại tín hiệu với giao thức phù hợp .................................60
Bảng 3.1.1: Bảng tổng hợp các chương trình mơ phỏng ..........................................83
Bảng 3.3.1: Danh sách các cặp sensor – actuator .....................................................87

10


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ WIRELESSHART
1.1 Giới thiệu chung
Giao thức truyền thông HART (Highway Addressable Remote Transducer) là một

giao thức lai tương tự-số trong tự động hóa cơng nghiệp ra đời vào giữa thập niên
1980. Đến nay, HART vẫn là giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến nhất trên
thế giới.
Phiên bản HART 7.0 được HART Communication Foundation (HFC) giới thiệu
vào năm 2007 với nhiều tính năng mới, cải thiện hiệu suất, giúp chẩn đoán nâng cao
và có khả năng bảo trì tốt hơn. Phiên bản HART 7.0 cũng thêm các tính năng tối ưu
hóa cho mạng khơng dây như:
•

bao gồm mạng lưới dây và khơng dây,

•

thêm đồng bộ thời gian,

•

thêm lớp vận chuyển,

•

thêm lớp mạng,

•

thêm bảo mật/mã hóa/giải mã,

•

và một số chức năng khác

Hình 1.1.1: Q trình phát triển của giao thức truyền thơng HART [1]

11


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Giao thức Wireless HART sử dụng kiến trúc lưới tự động đồng bộ hóa, tự tổ chức
và tự phục hồi. Giao thức này hỗ trợ hoạt động trên băng tần 2.4 GHz ISM, sử dụng
tiêu chuẩn radio IEEE 802.15.4 [7]. Vào tháng 4 năm 2010, WirelessHART đã
được Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) thông qua, đưa ra tiêu chuẩn quốc tế
không dây đầu tiên IEC 62591.
Giống như giao thức HART có dây, giao thức WirelessHART nhắm mục tiêu đến
các cảm biến và cơ cấu chấp hành cố định. Các hãng đã có sản phẩm sử dụng cơng
nghệ WirelessHART phải kể đến ABB, Emerson, Siemens, Pepperl+Fuchs và
Endress+Hauser.

Hình 1.1.2: Logo nhận diện của giao thức WirelessHART
Trên xu thế đó, việc ứng dụng cơng nghệ WirelessHART chỉ cịn là vấn đề thời
gian. Học viên đã lựa chọn đề tài này như một báo cáo tiền khả thi với việc ứng
dụng công nghệ không dây vào hệ thống đo lường điều khiển trong các nhà máy tự
động hóa q trình tại Việt Nam.
Các nghiên cứu trên thế giới bắt đầu vào khoảng 2008. Đầu tiên, nhóm tác giả Song
Han tập trung phát triển thuật tốn định tuyến. Tiếp đến là các tính tốn phân tích
đối với vịng lặp kín. Ngồi ra, các tác giả tiến hành thực nghiệm với testbeb bằng
một số lượng nhỏ thiết bị và lần lượt mô phỏng bằng các loại phần mềm mơ phỏng
mạng khác nhau và tính tốn tổng số gói tin trong suốt q trình truyền nhận.

Mục đích nghiên cứu của luận văn là phát triển hệ thống lý thuyết bổ sung cho việc
giảng dạy mạng truyền thông công nghiệp trong các trường đại học và cao đẳng ở
Việt Nam. Trong đó phân tích ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng cụ thể bằng
việc xem xét phương pháp thiết kế đối với mạng WirelessHART trong hệ thống
điều khiển nhà máy. Do hạn chế về tiếp cận phần cứng, đề tài tiếp cận theo hướng

12


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

mô phỏng truyền thông bằng phần mềm chuyên dụng NS-2. Phần mơ phỏng có
thêm việc tính tốn năng lượng của mỗi nút sau khi kết thúc quá trình giả lập.
Phương pháp nghiên cứu sử dụng chương trình mơ phỏng, cài đặt các thông số bám
sát thực tế để đảm bảo kết quả đáng tin cậy.
1.2. Kiến trúc hệ thống mạng WirelessHART
1.2.1 Công nghệ WirelessHART
Công nghệ WirelessHART dựa trên giao thức WirelessHART, được đánh giá là đơn
giản, đáng tin cậy và bảo mật.
1.2.1.1 Công nghệ WirelessHART đơn giản
Chuẩn WirelessHART là một cơng nghệ mạnh nhưng thực hiện đơn giản. Nó cung
cấp cùng một trải nghiệm an toàn, dễ dàng, đáng tin cậy mà người dùng đã biết qua
các sản phẩm liên quan đến HART bằng cách duy trì tính tương thích với thiết bị,
cơng cụ và hệ thống HART hiện có. Điều này cho phép người dùng HART nhanh
chóng và dễ dàng nhận ra được lợi ích của cơng nghệ khơng dây.
Sự dễ dàng đó có được đến một phần từ các tính năng của mạng lưới. Một lưới
WirelessHART là một mạng lưới tự thích nghi, có thể tự tổ chức và tự hàn gắn lại.

Nó sẽ tự động điều chỉnh để thay đổi cơ sở theo hạ tầng của nhà máy, ví dụ như khi
một thiết bị đo mới được thêm vào mạng.
Sự đơn giản này cũng xuất phát nhờ tính chất khơng dây. Giảm lượng đi dây và chi
phí vật liệu đáng kể sẽ dẫn đến việc lắp đặt và vận hành dễ dàng hơn, do đó giảm
được chi phí nhân cơng. Khơng cần dây nên mạng có thể dễ dàng mở rộng đến các
vùng xa.
Khả năng tương thích với tiêu chuẩn HART có dây làm cho việc triển các khai thiết
bị có dây và các thiết bị khơng dây cùng nhau, và cho phép các hệ thống
WirelessHART được tích hợp trực tiếp với các Ứng dụng Máy chủ, hệ thống điều

13


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
khiển phân tán (Distributed Control System) hoặc các ứng dụng quản lý tài sản
(Asset Management Applications).
Giảm chi phí thiết kế và thời gian dự án dẫn đến các lợi ích vận hành tốt hơn. Truy
cập các phép đo bổ sung thông qua lưới WirelessHART rất nhanh và dễ dàng, giúp
loại bỏ việc thu thập dữ liệu thủ công, mở rộng khả năng hiển thị đến từ nhà máy ở
xa như các bể chứa, các cụm thiết bị tiện ích, vv. Có quyền truy cập vào các phép
đo bổ sung và chẩn đoán cho phép người dùng xử lý sự cố vịng lặp, sắp xếp hợp lý
các quy trình bảo trì, và khắc phục ngăn ngừa tốt hơn trên một khu vực làm việc
rộng lớn. Cơng nghệ khơng dây cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ việc tuân thủ
quy định chẳng hạn như giám sát sự tuân thủ về sức khoẻ, an tồn và tn thủ mơi
trường.
Ngồi ra, khơng dây cũng đem lại những ích lợi khác. Việc loại bỏ dây dẫn làm cho
nó có thể gắn vào các cấu tạo trên các thiết bị di chuyển như tàu cao tốc và thiết bị

quay cố định thiết bị như lị nung quay và có những thiết bị đó giao tiếp với các
thiết bị chủ giống như các thiết bị truyền thống. Không dây cũng rất thuận tiện khi
thiết lập cấu hình tạm thời cho các quá trình nghiên cứu.
1.2.1.2 Công nghệ WirelessHART đáng tin cậy
Chuẩn WirelessHART bao gồm một số tính năng cung cấp truyền thơng đáng tin
cậy trong tất cả các môi trường công nghiệp, mà thông thường không thân thiện với
truyền thông không dây. Các cơ sở cơng nghiệp thường có cơ sở hạ tầng dày đặc
kim loại cản trở truyền dẫn khơng dây. Ở đó, có những chuyển động thường xuyên
của thiết bị lớn và điều kiện môi trường thay đổi liên tục. Nhiều nguồn tần số vơ
tuyến và nhiễu điện từ có thể gây ra những thách thức cho việc truyền thơng. Vì
vậy, tiêu chuẩn WirelessHART sử dụng cả kỹ thuật trải phổ rộng và kỹ thuật trải
phổ nhảy tần số giữa các kênh vật lý khác nhau.
Mạng WirelessHART là một mạng lưới dự phòng tự phục hồi, tự sửa chữa chính
nó, tìm thấy các con đường thay thế xung quanh các vật cản, và truyền thông ngẫu

14


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
nhiên trên các kênh khác nhau. Trong suốt vòng đời của lưới, nó liên tục thích ứng
với những thay đổi trong mơi trường. Việc thích nghi này làm cho báo cáo sức khoẻ
và thơng tin chẩn đốn được truyền đi liên tục bởi tất cả các thiết bị trong mạng.
Một lưới WirelessHART cũng bao gồm nhiều kỹ thuật để cùng tồn tại tốt với các
các mạng WirlessHART khác hay các loại mạng khơng dây khác. Nó sử dụng các
bài kiểm tra đánh giá kênh rõ ràng trên kênh được nhắm mục tiêu trước khi truyền
thực tế. Những kênh nhiễu hằng số hoặc bị chiếm dụng có thể bị liệt vào danh sách
đen không sử dụng. Việc truyền dẫn được đồng bộ hóa cao, cả cung cấp nhắn tin

đúng thời gian và tối ưu hóa thời gian băng thơng và sóng vô tuyến.
1.2.1.3 Công nghệ WirelessHART được bảo mật
Chuẩn WirelessHART sử dụng các biện pháp bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ mạng và
bảo mật dữ liệu mọi lúc. Những biện pháp này bao gồm những công nghệ bảo mật
mới nhất để cung cấp mức độ bảo vệ cao nhất hiện có. Nó sử dụng thuật tốn mã
hóa cơng nghiệp AES 128-bit tiêu chuẩn ở nhiều lớp.
Khóa mạng bí mật được sử dụng tại lớp liên kết dữ liệu để xác thực mỗi lần truyền
dữ liệu. Tại lớp mạng, mỗi phiên có một chìa khóa khác để mã hóa và xác thực giao
tiếp per-to-per. Khóa tham gia khác được sử dụng cho mỗi thiết bị để mã hóa và xác
thực trong q trình tham gia thiết bị. Ngồi ra, Quản lý Mạng định kỳ thay đổi tất
cả các khóa trong suốt cuộc đời của mạng.
Ngoài ra, chuẩn WirelessHART cũng sử dụng một số kỹ thuật để bảo vệ lưới chính
nó. Nó sử dụng nhảy kênh ở mức độ khe thời gian; Thực tế kênh truyền vật lý được
chọn tại điểm truyền. Năng lượng truyền thiết bị được kiểm soát bởi Quản lý Mạng.
Cơng suất cao có thể được sử dụng trong mơi trường nhiễu, trong khi cơng suất thấp
có thể được sử dụng khi vùng lắp đặt vật lý của mạng được rất nhỏ. Công suất thấp
cũng khiến cho kẻ xâm nhập khó khăn hơn để phát hiện giao thơng truyền thông.
1.2.2 Kiến trúc mạng WirelessHART

15


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Giao thức WirelessHART đã được thiết kế để thực hiện một lưới hệ thống thông tin
truyền thông của các cảm biến và thiết bị truyền động. Kiến trúc điển hình của một
mạng WirelessHART được minh họa như trong hình 1.2.1 dưới.

ình . . : opology điển hình của một mạng WirelessHART [3]
Các loại thiết bị (logic và vật lý) sau hoạt động trong mạng [11]:
 Quản lý Mạng (Network Manager) duy nhất cho mỗi mạng, thiết lập mạng,
xử lý liên kết giữa các nút, lịch biểu tài nguyên, định tuyến, theo dõi và báo
cáo sức khoẻ mạng, vv.
 Quản lý An ninh (Security Manager), có nhiệm vụ để xử lý các vấn đề bảo
mật, ví dụ như phân phối các khóa mã hóa để đảm bảo an ninh trong mỗi
mạng.
 Cổng (Gateway), có nhiệm vụ kết nối các Thiết bị Trường với hệ thống tự
động hóa nhà máy bằng khai thác một hoặc nhiều Điểm Truy cập.

16


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
 Các Điểm Truy cập (Access Points) được kết nối vào Gateway và cung cấp
các đường dẫn dự phòng giữa các mạng không dây và Gateway.
 Các Bộ định tuyến (Routers) được triển khai trong mạng để cải thiện vùng
phủ sóng và kết nối mạng. Trong WirelessHART, vai trị của Bộ định tuyến
thường được thực hiện bởi các Thiết bị Trường. Tuy nhiên, các Bộ định
tuyến bổ sung có thể được thêm vào để cho phép sự đa dạng đường dẫn, tùy
thuộc vào các trở ngại trong nhà máy. Router là một loại thiết bị đặc biệt
khơng cần có bộ cảm biến quá trình hoặc bộ phận điều khiển và do đó,
khơng được kết nối đến quy trình.
 Các Thiết bị Trường (Field Devices), tức là cảm biến và thiết bị truyền
động, được kết nối với quy trình. Tất cả các thiết bị này đều có thể tham gia
vào các nhiệm vụ định tuyến.

 Ngồi ra, cịn có các thiết bị khác có giao diện truyền thơng khơng dây,
nhưng khơng có kết nối với q trình và được lắp đặt trong lĩnh vực cơng
nghiệp. Ví dụ thiết bị đầu cuối cầm tay (Handheld) được sử dụng cho các
mục đích vận hành và bảo trì và các Bộ điều hợp (Adapter) dùng để kết nối
phần cứng HART có dây cũ vào với mạng không dây.
1.2.2.1 Quản lý Mạng (Network Manager)
Quản lý Mạng tạo thành mạng WirelessHART, tham gia và cấu hình thiết bị mạng
mới và giám sát mạng. Quản lý Mạng sử dụng thơng tin chẩn đốn để điều chỉnh
topology mạng.
Quản lý Mạng cũng được coi là một loại thiết bị mạng. Làm như vậy để cho phép
các thiết bị HART khác để trao đổi các lệnh HART với Quản lý Mạng.
Quản lý Mạng có trách nhiệm quản lý tổng thể, lập kế hoạch, và tối ưu hóa mạng
WirelessHART. Là một phần của nhiệm vụ của mạng lưới quản lý khởi tạo và duy
trì các giá trị thơng số truyền thơng mạng. Quản lý Mạng cung cấp cơ chế cho các
thiết bị được tham gia và rời mạng.

17


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Nó cũng chịu trách nhiệm quản lý các tài nguyên mạng riêng và chia sẻ. Quản lý
Mạng truyền thông với các thiết bị trên mạng WirelessHART thông qua lớp mạng.
Các lệnh mà Quản lý Mạng sử dụng để thiết lập, giám sát, và quản lý mạng lưới
tổng thể thông qua các tập lệnh Common Practice Commands và Wireless
Commands. Quản lý Mạng cũng có trách nhiệm thu thập và duy trì chẩn đoán về
sức khoẻ tổng thể của mạng. Những chẩn đốn này ln có sẵn để báo cáo cho các
Ứng dụng Máy chủ. Chẩn đoán cũng được sử dụng để điều chỉnh tổng thể mạng để

thay đổi các điều kiện.
Để thực hiện đầy đủ các chức năng của nó, Quản lý Mạng cần thông tin về các thiết
bị, thông tin về mạng lưới sẽ sử dụng như thế nào và phản hồi từ mạng về hiệu quả
hoạt động của mạng. Thơng tin cấu hình và thiết lập về thiết bị được đọc từ chính
các thiết bị đó. Tài ngun truyền thông được yêu cầu bởi các thiết bị, ứng dụng và
người dùng. Phản hồi về hiệu quả hoạt động của mạng được cung cấp bởi các thiết
bị thông qua các báo cáo tình trạng sức khỏe và chẩn đốn.
Kiến trúc mạng WirelessHART không giới hạn Quản lý Mạng nằm ở đâu trong
mạng tự động hóa nhà máy. Quản lý Mạng có thể được cùng với Gateway trong
cùng một thiết bị vật lý hoặc nằm hồn tồn riêng biệt. Có một Quản lý Mạng cho
mỗi mạng WirelessHART. Quản lý Mạng có thể phục vụ cho nhiều mạng
WirelessHART.
Người dùng (quản trị viên/bảo trì) tương tác với ứng dụng quản lý mạng tạo ra một
gói kiểm sốt quản lý mạng cho các thiết bị mạng. Các gói tin quản lý mạng di
chuyển qua lớp mạng, sau đó thơng qua lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý trước khi
được truyền qua không khí đến thiết bị đích.
1.2.2.2 Quản lý An ninh (Security Manager)
Quản lý An ninh chịu trách nhiệm về việc tạo ra, lưu trữ và quản lý các khóa. Sẽ có
một Quản lý An ninh tương ứng với mỗi mạng WirelessHART. Quản lý An ninh có
thể là một chức năng tập trung trong các mạng truyền thông công nghiệp, phục vụ

18


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
nhiều hơn một mạng WirelessHART và trong một số trường hợp các mạng và ứng
dụng khác.

Quản lý An ninh làm việc với Quản lý Mạng để bảo vệ mạng WirelessHART khỏi
các mối đe dọa phải đối mặt với hoạt động của nó. Quản lý An ninh tạo ra và quản
lý các mật mã được sử dụng bởi mạng. Nó có trách nhiệm tạo ra, lưu trữ, và quản lý
các khóa.
Các khóa tham gia, khóa mạng và khóa phiên phải được cung cấp cho Quản lý
Mạng; và các khóa tham gia phải được cung cấp cho thiết bị mạng. Các khóa này
được sử dụng để xác thực thiết bị và mã hóa dữ liệu trong mạng.
Quản lý An ninh làm việc chặt chẽ với Quản lý Mạng trong một kiến trúc máy chủkhách . Quản lý An ninh được hiển thị riêng biệt với Quản lý Mạng bởi vì nó có thể
là một chức năng tập trung trong một số mạng tự động hóa nhà máy, phục vụ nhiều
hơn một mạng WirelessHART và trong một số trường hợp mạng và ứng dụng khác.
Có một Quản lý An ninh được liên kết với mỗi mạng WirelessHART.
1.2.2.3 Cổng và các Điểm truy cập (Gateway và Access Points)
Gateway và Access Points có nhiệm vụ kết nối mạng WirelessHART với mạng tự
động hóa nhà máy, cho phép dữ liệu lưu chuyển giữa hai mạng.
Các thiết bị thương mại sẵn có trên thị trường thường kết hợp Gateway, Network
Manager, Security Manager và thậm chí cả các Access Points vào một thiết bị vật lý
đơn giản, gọi chung là Gateway. Cách tiếp cận tập trung này cho phép tất cả các
cơng việc tính tốn được giới hạn trong một thiết bị duy nhất, do đó làm giảm giá
thành thiết bị. Tất cả các giao tiếp diễn ra bằng cách truyền dữ liệu đến/từ Gateway
thông qua thiết bị định tuyến trung gian, do đó theo dõi các tuyến đường định tuyến
trước. Kiến trúc này, mặc dù đơn giản nhưng vẫn đảm bảo được hiệu quả trong
mạng truyền thông cơng nghiệp, trong đó các nút ít khi phải cấu hình lại hoặc bổ

19


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)

sung thêm nút trong suốt vòng đời của mạng và các yêu cầu về mạng là khá ổn
định.
Gateway cung cấp cho các Ứng dụng Máy chủ (Host Application) khả năng truy
cập vào thiết bị mạng. Một Gateway có thể được sử dụng để chuyển đổi từ một giao
thức này sang giao thức khác, giống như việc đi giữa hai hoặc nhiều mạng sử dụng
cùng một giao thức, hoặc để chuyển đổi các lệnh và dữ liệu từ một định dạng khác.
Chức năng chính của Gateway là để bắt dữ liệu burst đang được báo cáo bởi các
Thiết bị Trường và sau đó trả lại dữ liệu đó cho các Ứng dụng Máy chủ. Bộ nhớ
đệm cải thiện khả năng đáp ứng của Gateway để Ứng dụng Máy chủ và làm giảm
bớt đáng kể lượng truyền thông mạng. Với thông tin ngoại lệ cho phép nó sẽ được
rất phổ biến cho truyền thông mạng được giảm bằng một hệ số từ 10 đến 20 lần.
Trong nhiều trường hợp, mạng sẽ có nhiều hơn một Access Point. Những Access
Point này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạng. Các
Access Point giao tiếp trực tiếp với Gateway.
Cài đặt một mạng không dây bao gồm cài đặt các thiết bị không dây, một Gateway
(trong một số trường hợp có cả một Gateway và một hoặc nhiều Access Point), và
một kết nối đến một Ứng dụng Máy chủ hoặc hệ thống điều khiển. Khi Gateway,
các thiết bị và hệ thống điều khiển được cấu hình, mạng khơng dây hình thành và
truyền thơng bắt đầu.
Để đơn giản hóa sự hỗ trợ cho Access Point dự phòng, mỗi Gateway đều có địa chỉ
cố định đã biết. Có một Gateway cho mỗi mạng WirelessHART, Gateway có thể
được dự phịng.
1.2.2.4 Thiết bị Trường (Field Devices)
Thiết bị Trường được kết nối đến quá trình. Chúng là những bộ sản xuất và tiêu thụ
các gói tin WirelessHART và phải có khả năng định tuyến các gói thay cho các thiết
bị mạng khác.

20

Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Thiết bị Trường được sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm giám sát và kiểm soát
nhiệt độ áp suất đường ống, mức bồn bể, giám sát tình trạng sức khỏe của thiết bị,
và một loạt các ứng dụng điều khiển khác. Thiết bị Trường đo lường nhiệt độ, áp
suất, lưu lượng, vị trí, độ rung, ect. Chúng cũng kết nối đến các cơ cấu chấp hành
như van điều khiển, máy khuấy, máy thổi và băng tải.
Thiết bị Trường WirelessHART có thể được cấp nguồn bằng đường dây vịng lặp
hoặc pin trong hoặc chúng có thể được cấp bằng một số cách khác như năng lượng
mặt trời. Thiết bị Trường được kết nối với quá trình hoặc thiết bị nhà máy. Thiết bị
Trường có thể hoặc khơng hỗ trợ truyền tín hiệu bằng dịng điện truyền thống. Tất
cả các Thiết bị Trường WirelessHART phải có một cổng bảo trì được sử dụng để
cung cấp và chẩn đốn tại chỗ. Khơng có yêu cầu nào đối với thiết bị
WirelessHART phải cung cấp tín hiệu 4-20mA có dây.
Chuyển tiếp trạng thái thiết bị không dây
 Không hoạt động (Idle) - Thiết bị khơng hoạt động và bộ thu phát khơng dây
của nó khơng hoạt động. Nó khơng biết về mạng WirelessHART.
 Tham gia (Joining) - Thiết bị đang lắng nghe mạng, cố gắng để có được một
quảng cáo và yêu cầu gia nhập vào mạng.
 Được cách ly (Quarantined) - Thiết bị đã gia nhập thành cơng mạng nhưng
chỉ có một bảo mật rõ ràng để nói chuyện với Network Manager. Nó khơng
có sẵn hoặc được phép thực hiện các chức năng thu thập dữ liệu hoặc điều
khiển hoặc liên lạc với Gateway.
 Hoạt động (Operational) - Thiết bị có thể được truy cập bởi các ứng dụng
máy chủ qua Gateway. Nó được tích hợp trong hoạt động của hệ thống.
Ngồi bốn trạng thái chính kể trên, một thiết bị cũng có thể bị Treo (Suspended)
hoặc vào ái đồng bộ (Re- synchronizing) sau khi tham gia [1].
1.2.2.5 Bộ định tuyến (Router)

21


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Bộ định tuyến là một loại thiết bị mạng để chuyển tiếp gói tin từ một thiết bị mạng
này đến một thiết bị khác. Thiết bị mạng đang hoạt động như một thiết bị Router sử
dụng đồ thị và kết nối để quyết định thiết bị hàng xóm nào sẽ gửi các gói dữ liệu.
Nói chung, các Router độc lập là điều khơng bắt buộc vì tất cả các thiết bị mạng đều
phải hỗ trợ định tuyến. Tuy nhiên, điều này có thể có ích (như khi mở rộng mạng,
hoặc để lưu các nguồn của Thiết bị Trường trong mạng) để thêm các thiết bị bổ
sung nhằm cải thiện định tuyến trong mạng. Router khơng được kết nối với q
trình và cũng không thể hoạt động như Gateway.
Trong một vài trường hợp, nên lắp đặt thêm Access Point thay vì Router. Access
Point sẽ cải thiện tổng thế tính thơng suốt và tang khả năng dự phòng của mạng.
1.2.2.6 Bộ điều hợp (Adapter)
Bộ điều hợp cho phép ghép nối với Thiết bị Trường HART hiện có hoặc cho một số
Thiết bị Trường loại multi-dropped và cho phép truyền thông tới tất cả các ghép nối
các Thiết bị Trường thông qua một mạng WirelessHART. Bộ chuyển đổi phải chứa
cả một giao diện Token-Passing (có dây) và một giao diện TDMA (khơng dây). Nói
cách khác, và trừ khi được nêu rõ ràng khác, Adapter phải đáp ứng tất cả các yêu
cầu cho truyền thơng HART có dây và WirelessHART. Hơn nữa, bởi nhiều thiết bị
kết nối với một Adapter sẽ là của cấp phiên bản trước đó, Adapter phải hỗ trợ các
tính năng chính của HART version 7 cho thiết bị con. Ví dụ, Adapter phải hỗ trợ tối
thiểu 5 tin nhắn chế độ burst và 2 tin nhắn sự kiện.
Adapter cũng phải cho phép truy cập hồn tồn vào cấu hình và tình trạng của tất cả
các thiết bị con ghép nối. Ngoài ra để hỗ trợ HART liên lạc với các Thiết bị Trường

được kết nối, Adapter phải khơng có bất lợi ảnh hưởng nào đến truyền tín hiệu
tương tự 4-20mA.
Adapter phải hỗ trợ các lệnh Universal Commands và Common Practice Commands
và xác định chính nó trong phản hồi Identify Commands. Ngồi ra, Adapter phải hỗ
trợ ít nhất một kết nối Block Data Transfer.

22


Thiết kế và mô phỏng truyền thông trong hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng
Wir l ss
IEC 6 5
IEEE 802.15.4)
Adapter có trách nhiệm thương lượng các tài nguyên mạng thay mặt chính nó và
các thiết bị con. Trong nhiều trường hợp, ví dụ như khi một phát thanh tìm kiếm
được gửi đi, Adapter cũng phải có khả năng đáp ứng thay mặt cho thiết bị con của
nó.
1.2.2.7 Thiết bị cầm tay (Handheld)
Thiết bị cầm tay được sử dụng trong việc cài đặt và bảo trì thiết bị mạng. Thiết bị
cầm tay là thiết bị di động được vận hành bởi nhân viên nhà máy.
Thiết bị cầm tay được kết nối với Thiết bị Trường WirelessHART. Một thiết bị cầm
tay kết nối qua mạng WirelessHART tới thiết bị WirelessHART được giới hạn
trong giao tiếp với thiết bị WirelessHART mà thiết bị cầm tay được kết nối. Cung
cấp đặc biệt được sử dụng để đảm bảo rằng thiết bị cầm tay bị giới hạn trong một
lần nhảy và một thiết bị cùng một thời điểm. Đây sẽ được gọi là Đã kết nối như một
thiết bị bảo trì (Connected as a Maintenance Device). Các thiết bị cầm tay được kết
nối theo cách này phải có phiên riêng để sử dụng giữa thiết bị cầm tay và thiết bị mà
chúng được kết nối.
1.2.3 Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển có sử dụng WirelessHART
Hình 1.2.2 dưới cho thấy một mạng WirelessHART kết nối với mạng lưới nhà máy

tự động hóa thơng qua một Gateway. Mạng lưới tự động hoá nhà máy có thể là một
mạng dựa trên mạng TCP, hệ thống Remote I/O, hoặc một bus như Ethernet
TCP/IP, Modbus, Profibus-DP hoặc HART-IP. Gateway được kết nối với mạng
WirelessHART thông qua các Access Points.
Phần cứng truyền thông từ Ứng dụng Máy chủ đến Gateway có thể là cáp Cat5e
hoặc cáp quang (Fiber Optic) cho phép tốc độ đường truyền tốt hơn.
Tất cả các thiết bị mạng truyền và nhận các gói tin WirelessHART và thực hiện các
chức năng cơ bản cần thiết để hỗ trợ sự hình thành và bảo trì mạng. Tất cả các thiết

23