WirelessHART

Transmissão via rádio confiável no ambiente de processos

Logotipo WirelessHART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) é um padrão de protocolo global para a instrumentação inteligente de processos. Mais de 30 milhões de equipamentos aptos para HART estão atualmente instalados em instalações no mundo inteiro. Seu potencial inteiro é, contudo, aproveitado somente em 10% dos equipamentos.

O padrão WirelessHART foi desenvolvido pela HART Foundation para permitir aos usuários um uso mais eficiente de seus equipamentos aptos para HART. Os produtos WirelessHART da Phoenix Contact foram concebidos para a rápida integração em sistemas existentes.

WirelessHART: o primeiro padrão de rádio para aplicações industriais

Em 2007, a HART Communication Foundation publicou o primeiro padrão de rádio especialmente orientado para aplicações industriais. A tecnologia de rádio eficiente do ponto de vista energético WirelessHART é parte do padrão HART 7 e é utilizada em aplicações da técnica de medição de processos para substituir ou utilizar de forma otimizada os condutores de sinal de 4…20 mA convencionais.

O padrão WirelessHART se baseia em uma tecnologia robusta e confiável. O mesmo pode ser utilizado de forma simples com base em poucos parâmetros de configuração e com quase todos os tipos de equipamentos.

Tecnologia de rádio global

A transmissão via rádio com WirelessHART sob a forma de módulos de rádio IEEE 802.15.4 com transceptores de rádio de 10 mW pode ser utilizada através da banda de frequência ISM de 2,4 GHz que não necessita de licença. Os módulos de rádio conforme 802.15.4 e ZigBee são frequentemente a base para redes sem fio eficientes do ponto de vista energético.

Comparação dos canais WLAN e WirelessHART

Comparação dos canais WLAN e WirelessHART

O protocolo WirelessHART converte as quatro camadas superiores do modelo de camadas OSI, oferecendo assim vantagens óbvias face a outros sistemas sem fio com um consumo de potência baixo. Ele permite um funcionamento paralelo confiável e apresenta uma série de opções para o gerenciamento ótimo de canais de rádio.

Entre elas está, por exemplo, uma combinação entre procedimento de dispersão de frequência e procedimento de salto de frequência DSSS e FHSS, tecnologia CCA (Clear Channel Assessment), tempos de transmissão curtos e funcionalidade Blacklisting.

Redes mesh plenas

Rede full mesh com autorregeneração  

Rede full mesh com autorregeneração

A característica principal do WirelessHART é a capacidade de construir e configurar autonomamente redes mesh. Assim, cada equipamento final pode comunicar na rede de forma redundante por diversas vias. Sendo o alcance em campo livre de aprox. 250 metros e a expansão física da instalação, por norma, de 50 a 100 metros.

Deste modo é garantido que estão sempre disponíveis nós de rede funcionais e prontos a utilizar. As redes mesh plenas se organizam de forma totalmente automática. Além disso, elas são autorregeneradoras, o que garante uma confiabilidade e possibilidade de planejamento permanentes, mesmo em caso de alteração das condições ambientais.

Os equipamentos em redes mesh conseguem reconhecer automaticamente outros equipamentos, medir a intensidade do sinal de rádio e determinar dados para a sincronização e troca de frequência. Conforme necessário, eles podem estabelecer ou interromper a conexão com outros equipamentos. As redes e os nós de rede estão identificados com um ID inequívoco, pelo que várias redes podem ser operadas paralelamente sem que isso origine um intercâmbio de dados indesejado ou sinais com falhas de encaminhamento.

Comunicação com sincronização de tempo

Decisiva para um gerenciamento sem falhas dos canais de rádio e uma constituição de rede funcional é a coordenação temporal exata da transmissão de dados.

Para a regulagem temporal, as redes WirelessHART utilizam o processo de multiplex por divisão de tempo TDMA (Time Division Multiple Access). Sendo que está disponível para cada um dos processos de transmissão sincronizados de forma exata uma janela de tempo de 10 ms (intervalo de tempo), bem como um dos 15 canais. Se não ocorrer nenhuma comunicação, os equipamentos comutam para um modo standby econômico (uma grande parte dos equipamentos funciona a bateria).

Transmissão segura de informações

A segurança da informação é garantida por funções de encriptação, autenticação e proteção da integridade dos dados. Graças à encriptação AES de 128 bits, os dados estão protegidos contra o acesso não autorizado de terceiros.

Durante a autenticação, a validade da identidade do emissor é verificada com base em endereços-fonte de pacote que estão protegidos pelos chamados códigos de integridade de mensagem de 32 bits (MIC). E a proteção da integridade garante que as informações são transmitidas inalteradas por meio do mesmo MIC. Além disso, também as trocas de frequência contribuem para a segurança dos dados graças à sequência de saltos pseudo-aleatória.

Redes WirelessHART

Para que seja garantida a criação de uma rede segura, é necessária uma autenticação para todos os equipamentos antes da conexão com a rede. Para esse efeito, os equipamentos de rede enviam e publicam regularmente informações da rede sob a forma de pequenos pacotes de dados, os chamados beacons.

Para que um novo equipamento possa ser conectado com a rede, ele tem de receber primeiro um desses pacotes de dados. Logo que seja recebido um beacon, o novo equipamento envia um pedido de conexão para o gestor de rede WirelessHART superior.

Processo de autenticação para novos participantes da rede

Processo de autenticação para novos participantes da rede

O pedido de conexão contém, além da ID de rede programada do equipamento e da chave de conexão, também outros dados de autenticação. Depois de a ID de rede e a chave de conexão serem aceitas pelo gestor da rede, este envia as seguintes informações para o equipamento novo: dados de autenticação, assim como informações sobre o atalho de comunicação na rede e sobre a janela de tempo predefinida para a transmissão dos dados pelo equipamento.

Depois da transmissão bem-sucedida, o equipamento fica conectado à rede e pode ser utilizado para a transmissão e publicação de dados.

Os três tipos de equipamentos WirelessHART

Gateway WirelessHARTEquipamento de medição WirelessHARTAdaptador WirelessHART
Gateway WirelessHARTEquipamento de medição WirelessHartAdaptador WirelessHART
FunçõesPonto de acesso Wireless
+
Gestor de rede
+
Gateway
Módulo de rádio
+
Módulo de medição
+
Alimentação de tensão
Módulo de rádio
+
Possibilidade de conexão
para equipamentos existentes
Área de aplicaçãoLigação ao sistema hostMedição sem caboLigação de equipamentos de medição
conectados por cabo ao WirelessHART

No chamado gateway WirelessHART, trata-se conforme o padrão HART de um equipamento composto por três componentes:

  1. O módulo de rádio utilizado para a conexão de cada um dos equipamentos de campo (ponto de acesso Wireless).
  2. O software que controla como unidade de controle central (gestor da rede) as conexões de rede e assegura a segurança de rede, assim como a autenticação dos equipamentos de campo. O gestor da rede otimiza ainda o tráfego de dados na rede e assegura que os dados possam ser transmitidos sempre nos intervalos predefinidos através dos equipamentos de rede.
  3. O gateway em si, que funciona como interface entre a rede da instalação ou o sistema host e a rede WirelessHART. Os três componentes descritos podem estar agrupados em um módulo ou ser utilizados separados nas combinações desejadas, com a possibilidade de serem expandidos posteriormente com vários pontos de acesso.

Os equipamentos WirelessHART (geralmente equipamentos de medição sem cabo) são compostos por um módulo de rádio que está combinado com funções de medição ou monitoramento. Eles permitem uma expansão confortável de sistemas existentes, assim como uma utilização rápida em instalações novas.

Os pontos de medição anteriormente inacessíveis devido a uma alta complexidade de cabeamento ou limitações ecológicas podem assim ser integrados sem problemas. A alimentação de tensão de equipamentos WirelessHART pode ser realizada por energia solar, rede elétrica ou por bateria, assim como através do fornecimento de malha de corrente.

Com o adaptador WirelessHART é possível conectar equipamentos HART conectados com cabo, já existentes, a uma rede WirelessHART. O adaptador pode ser conectado ao cabeamento de 4-20 mA existente e captar o sinal transmitido através daqui, sem que este tenha interferências ou seja interrompido.

Os adaptadores WirelessHART conseguem captar os sinais de vários equipamentos HART, o que permite manter os custos de instalação baixos. A alimentação de tensão de adaptadores WirelessHART pode ser realizada através do fornecimento de malha de corrente, assim como por rede elétrica ou bateria. Os adaptadores são utilizados especialmente para captar sinais HART de equipamentos HART já instalados e conectados a um host sem funcionalidade HART.

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