Cơ sở lý thuyết của công nghệ Wirelesshart. Xây dựng quy trình thiết kế hệ thống đo lường điều khiển sử dụng Wirelesshart. Mô hình truyền thông mạng Wirelesshart bằng phần mềm mô phỏng NS2. Cơ sở lý thuyết của công nghệ Wirelesshart. Xây dựng quy trình thiết kế hệ thống đo lường điều khiển sử dụng Wirelesshart. Mô hình truyền thông mạng Wirelesshart bằng phần mềm mô phỏng NS2.
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 HÓA THIẾT KẾ VÀ MÔ 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 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 mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Thiết kế mô hệ thống đo lường điều khiển sử dụng ir l ss IEEE 802.15.4)” tự thiết kế hướng dẫn PGS TS Bùi Đăng Thảnh Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Học viên cao học Cao Ngọc Khánh Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS TS Bùi Đăng Thảnh, thầy có nhiều hướng dẫn xét đánh giá luận văn này, để luận văn hoàn thành với chất lượng khoa học tiến độ Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Pouria Zand cho phép sử dụng thư viện WirelessHART NS-2, cảm ơn chuyên gia Knud Larsen diễn đàn LinuxQuestion chuyên gia WirelessHART Emerson giải đáp cho thắc mắc suốt q trình nghiên cứu Cuối cùng, tơi cảm ơn gia đình, đồng nghiệp tạo điều kiện cho tập trung nghiên cứu gần năm qua Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ 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 thông mạng WirelessHART 24 1.3.1 Lớp Vật lý 25 1.3.2 Lớp Liên kết 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 mạng WirelessHART 39 1.4.1 Thuật toán CCM* 39 1.4.2 Các loại khóa mạng 39 1.4.3 Bảo vệ liệu 41 1.4.4 Bảo vệ mạng 42 1.5 Các công nghệ không dây khác 42 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC 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 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 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 kết nối không dây 75 2.2.10 Quy trình kiểm tra tồn mạng khơng dây 77 2.2.11 Phần mềm AMS SNAP-ON 78 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TRUYỀN THÔNG MẠNG WIRELESSHART BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NS-2 .80 3.1 Các công cụ mô WirelessHART .80 3.1.1 NS-2 80 3.1.2 NS-3 81 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) 3.1.3 TrueTime 82 3.2 Netwok Simulator .83 3.2.1 Kiến trúc chương trình NS-2 .83 3.2.2 Ngôn ngữ C++ OTcl 85 3.3 Mô mạng WirelessHART cỡ nhỏ 85 KẾT LUẬN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 97 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC 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 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC 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 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1.1: Q trình phát triển giao thức truyền thơng HART 11 Hình 1.1.2: Logo nhận diện giao thức WirelessHART 12 Hình 1.2.1: Topology điển hình mạng WirelessHART 16 Hình 1.2.2: Kiến trúc hệ thống đo lường điều khiển sử dụng kết hợp HART có dây WirelessHART .24 Hình 1.4.1: Bảo mật mạng WirelessHART .40 Hình 1.5.1: Đánh giá ứng dụng công nghệ không dây .44 Hình 1.5.2: Topology mạng ISA 100.11a 45 Hình 1.5.3: Gateway Thiết bị Trường ISA 100.11a hãng Yokogawa 47 Hình 2.1.1 Bộ thiết bị phần mềm WirelessHART 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 dự án thơng thường 56 Hình 2.2.2: Đánh giá mức ứng dụng công nghệ không dây 59 Hình 2.2.3: So sánh chi phí dự án cơng nghệ có dây khơng dây 61 Hình 2.2.4: Sơ đồ P&ID cho vịng lặp kín HART có dây, Foudation Fieldbus WirelessHART .62 Hình 2.2.5: Ví dụ sơ đồ thiết bị q trình cơng nghệ nhà máy 64 ... khai thiết bị có dây thiết bị không dây nhau, cho phép hệ thống WirelessHART tích hợp trực tiếp với Ứng dụng Máy chủ, hệ thống điều 13 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng. .. 1.2.2 Kiến trúc mạng WirelessHART 15 Thiết kế mô truyền thông hệ thống Đo lường điều khiển sử dụng Wir l ss IEC IEEE 802.15.4) Giao thức WirelessHART thiết kế để thực lưới hệ thống thông tin truyền... 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