Stochastic Estimation and Control over WirelessHART Networks: Theory and Implementation

Abstract

There is currently a high interest of replacing traditional wired networks with wireless technology. Wireless communications can provide several advantages for process industries with aspect to flexibility, maintenance and installation. The WirelessHART protocol provides a standardized wireless technology for large automation networks that explore wireless communication.However, wireless networks introduce time delays and losses in the communication system, which defines requirements for designing estimators and controllers that can tolerate and compensate for the losses and delays.

This thesis consists of several contributions. First, we develop tools for analyzing the delay and loss probabilities in WirelessHART networks with unreliable transmission links. For given network topology, routing and transmission schedule the developed tools can be used to determine the latency distributions of individual packets and quantify that a packet will arrive within a prescribed deadline. Secondly, we consider estimation and control when sensor and control messages are sent over WirelessHART networks. The network losses and latencies are modelled and compensated for by timevarying Kalman filters and LQG controllers. Both optimal controllers, of high implementation complexity, and simple suboptimal schemes are considered. The control strategies are evaluated on a simulation model of a flotation process in a Boliden mine where the wired sensors of the existent solution are replaced by a WirelessHART network scheduled for time-optimal data collection. Finally, we implement a WirelessHART-compliant sensor on a Tmote sky device and perform real experiments of wireless control on a water tank process.

Keywords: WirelessHART, Tmote, Wireless, Control, LQG, WSN, Kalman, Latency, Markov

Acknowledgements

This masterrsquo;s thesis was performed in the Automatic Control department at KTH. I would like to thank my examiner Professor Mikael Johansson for his support and advices during this thesis. I would also like to thank Antoacute;nio Oliveira Gonga with all the help with the implementation of Tmote devices and contiki.

Chapter 1

Introduction

Wireless mesh networks can be implemented on systems with a high number of sensors and actuators without the need of long cable installations to each component. WirelessHART provides a secure and robust wireless mesh networking technology to replace existing control technology with wireless technology for systems with high demands of reliable communication. Challenges brought by wireless mesh networking is to compensate for the packet losses and latency caused by disturbances, packet queuing and re-transmissions and still be able to uphold a robust system. In this thesis the WirelessHART standard, latency analysis and control design will be combined to design tools for a wireless networked control system.

1.1 Problem definition

The aim of this thesis is to develop tools for the standard WirelessHART using the operating system contiki. Furthermore, theory on estimation and LQG-control design from related work will be used to create a robust controller for a wireless control system. All parts in the thesis will be combined for implementation on the Quanser water tank process[25].

This thesis can be divided to the following steps:

1. Latency Analysis: Calculations of end-to-end latency for packet transmissions.

2. Control Design: Design of a LQG controller with Latency compensation.

3. Embedded systems programming: Setup devices to communicate with the WirelessHART standard.

4. Implement the steps above for the water tank process

1.2 Background

1.2.1 Control over Wireless Networks

A networked control system can be modelled as in Figure 1.1, where the process has a wireless connection with the controller.

Figure 1.1: Model of a networked control system

The wireless connections cause network latencies, tau;sc between the sensors to controller connection and tau;ca between the controller to actuators connection. The impact of the delays is that when the control signal is received at the actuator, the control signal has been subjected to a loop delay tau; = tau;sc tau;ca. To compensate for the delay the process model can be modelled with the loop delay.

A general sampled state-space system according Eq. (1.1) - (1.2) is affected with a loop delay tau; and is modelled with the delay in Eq. (1.3)

xk 1 = Axk Buk (1.1)

yk = Cxk (1.2)

xk 1 = Axk Gamma;0(tau;)uk Gamma;1(tau;)ukminus;1 (1.3)

By modelling the states xk 1 with Eq. (1.3), the system is extended with a state for the previous control signal ukminus;1.

1.2.2 WirelessHART

WirelessHART is an extension to traditional wired HART developed by the HART Communication Foundation and is intended for use in automation processes. With WirelessHART the field devices that consists of sensor nodes, actuator nodes and relay nodes are formed to a mesh network where the communication is performed time slotted with TDMA. WirelessHART uses the 2.4 Gz ISM band with IEEE 802.15.4 physichal layer. The WirelessHART devices are backward compatible with wired HART devices and can be implemented in a traditional HART network. In this thesis the TDMA superframes are used for scheduling wireless networks and a wireless Tmote sky device is configured to work as a WirelessHART burst mode device for publishing measurement data for a process.

1.2.3 The Boliden Ore Refining Process

The Boliden ore refining process is a tank flotation process used to extract minerals from ore. The control problem is modelled as a

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无线HART网络的随机估计与控制：理论与实现

摘要：

目前，人们对用无线技术取代传统的有线网络有着浓厚的兴趣。在灵活性、维护和安装方面，无线通信为流程工业提供了许多优势。WirelessHART协议为探索无线通信的大型自动化网络提供了一种标准化的无线技术。然而，无线网络在通信系统中引入了时间延迟和损耗，这就要求设计能够承受和补偿损失和延迟的估计器和控制器。

这篇论文由几部分组成。首先，我们开发了用于分析传输链路不可靠的WirelessHART网络的延迟和损失概率的工具。对于给定的网络拓扑、路由和传输调度，可以使用开发的工具来确定单个数据包的延迟分布，并量化数据包将在规定的期限内到达。其次，我们考虑了传感器和控制信息通过WirelessHART网络传输时的估计和控制问题。利用时变卡尔曼滤波器和LQG控制器对网络损耗和延迟进行建模和补偿。同时给出了具有较高实现复杂度的最优控制器和简单的次优方案。在一个玻利登矿浮选过程仿真模型上对控制策略进行了评估，该模型将现有解决方案的有线传感器替换为用于时间最优数据采集的无线HART技术。最后，我们在无线传感器网络设备上实现了一个符合WirelessHART标准的传感器，并对水箱过程进行了实际的无线控制实验。

关键词：WirelessHART、Tmote、Wireless、Control、LQG、WSN、Kalman、Latency、Markov

致谢

本篇硕士论文是在瑞典皇家理工学院的自动化控制系完成的。感谢主考官Mikael Johansson教授在这篇论文中对我的支持和建议，还要感谢Antonio Oliveira Gonga在Tmote设备和contiki的实施过程中给予我的帮助。

第一章

介绍

无线网状网络可以在具有大量传感器和执行器的系统上实现，而不需要在每个组件上安装长电缆。WirelessHART提供了一种安全可靠的无线网状网络技术，用无线技术取代现有的控制技术，以满足高可靠性通信需求的系统。无线网状网络所带来的挑战是补偿由于干扰、分组排队和重新传输造成的分组丢失和延迟，并且仍然能够维持一个强健的系统。本文将无线HART标准、时延分析和控制设计相结合，设计出无线网络控制系统的工具。

1.1 问题定义

本文的目的是利用Contiki操作系统为标准WirelessHART开发工具。此外，还将利用相关工作中的估计理论和LQG控制设计，为无线控制系统建立鲁棒控制器。本文中的各个部分将结合在一起，来实现Quanser水箱工艺。

本文可分为以下几个步骤：

1.延迟分析：包传输端到端延迟的计算任务；

2.控制设计：一种具有延迟补偿功能的LQG控制器的设计；

3.嵌入式系统编程：设置以WirelessHART标准通信的设备；

4.对水箱工艺执行上述步骤。

1.2 背景

1.2.1 无线网络控制

网络化控制系统的建模如图1.1所示，其中过程与控制器具有无线连接。

t-tau;^sc

图1.1：网络化控制系统模型

无线连接导致网络延迟，tau;_sc 传感器到控制器之间的连接和tau;_ca 控制器到执行器连接。延迟的影响，当执行器接收到控制信号时，控制信号收到回路延迟的影响。tau; = tau;_sc tau;_ca 为了补偿延迟，可以用循环延迟对过程模型进行建模。

一个通用的采样状态空间系统，根据公式（1.1）-（1.2）受环路延迟影响tau;并用公式（1.3）中的延迟进行建模。

x_{k 1} = A_xk B_uk (1.1)

y_k = C_xk (1.2)

x_{k 1} = A_xk Gamma;0(tau;)_uk Gamma;₁(tau;)_ukminus;1 (1.3)

利用公式（1.3）对x_{k 1} 进行建模，将系统扩展为以前控制信号U_k-1 的状态。

1.2.2 WirelessHART

WirelsHART是由HART通信基金会开发的传统有线HART的扩展，用于自动化过程。采用无线时分多址（TDMA）技术，将由传感器节点、执行器节点和中继节点组成的现场设备形成一个网状网络，在该网络中进行通信。Wirelesshart使用2.4 GZ ISM频段和IEEE 802.15.4物理层。无线HART设备与有线HART设备相互兼容，可以在传统的HART网络中实现。

在本论文中，TDMA超帧用于无线网络的调度，无线TMote Sky设备配置为无线HART突发模式设备，用于发布过程的测量数据。

1.2.3玻利登矿石精炼工艺

玻利登矿石精炼工艺是一种用于从矿石中提取矿物的罐式浮选工艺。控制问题被建模为一个水箱过程，在这个过程中水箱的水位被控制。图1.2显示了该过程的模型，该模型由五个级联耦合罐组成。在图中，每个储罐的液位由下式给出：h₁ ，h₂ ，h₃ ，h₄ 和h₅ 。第一个油箱有一个变量q_in ，每个油箱的流量q₁ ，q₂ ，q₃ ，q₄ 和q 由阀门设置u₁，u₂，u₃，u₄ 和u₅ 调节。

图1.2：玻利登矿石精炼工艺模型

根据图1.3，漂浮过程可以使用五个无线传感器和执行器、两个中继节点和一个无线网关实现到无线网状网络，其中传感器和执行器通过两个中继节点连接到网关。网关可以包括控制器，也可以连接到自动化网络。连接到油箱的无线节点上有传感器，传感器测量油箱液位，并与执行器平行，用于更换每个油箱的阀门。中继节点在油箱和网关之间传递数据包。带有方向的所有可能的传输链接都用图中的虚线箭头标记。

在[3,4]中介绍的关于玻利登矿石精炼工艺的先前工作中，控制设计包括最佳LQG控制器。本论文旨在设计网路控制系统，将控制设计为无线网路的时变LQG控制器，每个测量和控制信号都有独立的延迟。

1.2.4 相关工作

WISA研究项目也进行了类似的工作，在该项目中，已经创建了无线网状网络的工具链，但该工作尚未应用于WirelessHART标准或contiki操作。

图1.3：用于挖掘过程的建议网格网络的拓扑系统

本文的理论部分包括网络调度和无线网络的估计与控制。类似的延迟分析已经在[1]中完成，这里使用了与本工作相同的原理，但是作为区别，我们的网络包含多个数据包。在[5]-[15]中，对LQG控制系统的估计和丢失包进行了研究，本文采用了类似的方法来估计状态和控制过程。然而，本文中用于补偿延迟的控制设计主要是从[16]中关于具有延迟的实时控制系统的工作中得到启发的。

本文采用延迟分析、估计和LQG控制相结合的方法，对艾迪克[3]的玻利登采矿过程进行了模拟。在[4]中介绍了玻利登采矿过程的控制，评估了不同的控制策略，并发现LQG控制是该过程的最佳解决方案。

此外，在之前的项目中，部门内已经完成了对无线网状网络的模拟，并在一篇平行论文中，在[23]中执行了WirelessHART协议的第一部分实现。然而，在本论文的时间框架内，无线HART协议的完整层不可用，因此在实施中的通信是用简单的单播传输完成的，没有时间段，但应用层是无线HART技术。

1.3 大纲

本论文包括理论和实施。 这项工作分为以下几章。

1.3.1 WirelessHART

本章简要介绍了WirelessHART协议，重点介绍了时分多址（TDMA）和无线设备。由于TDMA和时隙在本论文的多个部分中具有重要意义，因此对其进行了较为深入的描述。

1.3.2 行程安排

在本章中，分析计算了具有一个包的网状网络的延迟概率。对多数据包网络的延迟概率进行了仿真，并分别以恒定的成功传输概率和吉尔伯特列特模型对链路概率进行了建模。并对玻利登过程的调度进行了建议和分析。

1.3.3 估算与控制

在这一章中，我们推导出两种不同的估计量来估计给定系统的测量状态。第一种是具有时变卡尔曼增益的缓冲估计，第二种是具有静态增益的简单卡尔曼估计。

对给定系统的系统矩阵进行采样，并考虑系统中的时间延迟。设计了两个与两个卡尔曼滤波器相匹配的控制器，一个具有静态环路增益，另一个具有时变控制器。然后用卡尔曼估计量对这两个控制器进行了模拟评估，以确定玻利登采矿过程中链路概率的不同组合。结果也可与[4]中的模拟结果进行比较，并模拟了相同的测试序列。

1.3.4 实施

无线TMote Sky设备配置为与WirelessHART突发模式命令一起工作，用于发布水箱过程的测量，该过程由第4章中的估计和控制进行控制。

1.3.5 评价

针对少数具有损失和干扰的情况评估实施的过程。 并评估了系统的体系结构。

第二章

WirelessHART

图2.1：带7个现场设备的WirelessHART网状网络

2.1 时分多址（TDMA）

2.1.1 超帧

在WirelessHART中，TDMA和信道跳变用于控制WirelessHART网络中设备之间的传输。支持WirelessHART的网络中的所有设备必须能够对数据包进行源、接收和路由。TDMA使用每个10毫秒的时隙和一系列的时隙组成一个重复的超帧。如果一个设备被安排在当前的时隙中，那么该设备可以访问网络来传输或监听数据包。WirelessHART中的所有设备都支持多个超帧，因此可以在不同的时间对网状网络使用不同的路由方案（一个用于数据收集，另一个用于发布数据，活动超帧由网络管理器提供）。通过使用不同的频率信道（信道跳变），多个传输链路可以在同一个时隙上激活。每个传输链路由发送方和接收方定义，主动传输链路由网络管理器控制，网络管理器控制现场设备的路由方案。

TDMA超帧中的每个时隙由特定的时间间隔组成，当计划的源节点传输数据时，当传输完成时，设备等待来自目标设备的响应消息。失败的传输以错误代码响应，数据包在传输链路（通常是下一个超帧）的下一个调度时隙重新发送分组。

图2.2显示了一个TDMA超帧，每个时隙都有预定的链接。不同的信道可用于为同一时间段调度多个链路。WirelessHART网络的超帧是连续重复的（图2.3），失败的传输通过重复的超帧重新传输，而不是在传输失败时重复一个时隙。

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图2.2：TDMA超帧

图2.3：WirelessHART网络中的重复超帧

2.1.1 时间同步

为了使TDMA传输正常工作，需要使设备同步。接收设备的时隙接收消息的时间间隔，并且有一个理想的开始接收时间。观察启动时间，通过计算实际启动时间和理想启动时间之间的时间误差，实现时间的同步。网络管理器选择设备与之同步的每个设备的邻居。

媒体访问控制（MAC）层保持插槽同步，并负责管理邻居、超级帧和传输链路的表，这些表都是由网络管理器提供的。MAC层还根据超帧设置设备来监听或传输数据。

2.2 WirelessHART突发模式现场设备

WirelessHART现场设备可设置为突发模式。当现场设备处于突发模式时，它将以突发模式配置发布数据/消息，直到收到停止命令。作为通用WirelessHART现场设备所需命令的补充，突发模式现场设备必须支持突发模式命令。在图2.4中，首先将设备设置为具有配置序列的突发模式，然后设备发布具有突发配置的数据。

图2.4：突发装置的功能

2.2.1 突发触发模式

突发触发模式为WirelessHART突发模式设备提供其基本功能。当处于突发模式时，设备将根据突发触发模式和突发模式配置中的参数发布消息。突发触发模式在WirelessHART标准文件[18]中定义。

连续

在连续突发触发模式下，现场设备以最长更新周期发送突发消息，直到收到停止命令。

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