WirelessHART

Zuverlässige Funkübertragung im Prozessumfeld

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HART (Highway Addressable Remote Transducer) ist ein globaler Protokollstandard für die intelligente Prozessinstrumentierung. Über 30 Millionen HART-fähige Geräte sind derzeit in Anlagen auf der ganzen Welt installiert. Ihr volles Potenzial wird jedoch nur bei 10 % der Geräte ausgeschöpft.

Der Standard WirelessHART wurde von der HART Foundation entwickelt, um Anwendern eine effektivere Nutzung ihrer HART-fähigen Geräte zu ermöglichen. WirelessHART-Produkte von Phoenix Contact sind auf die rasche Integration in bestehende Systeme ausgelegt.

WirelessHART: der erste Funkstandard für Industrieanwendungen

Im Jahr 2007 veröffentlichte die HART Communication Foundation den ersten Funkstandard, der speziell auf Industrieanwendungen ausgerichtet ist. Die energieeffiziente Funktechnologie WirelessHART ist Teil des Standards HART 7 und wird in Anwendungen der Prozessmesstechnik eingesetzt, um herkömmliche 4…20-mA-Signaladern zu ersetzen bzw. optimiert zu nutzen.

Der Standard WirelessHART basiert auf einer robusten und zuverlässigen Technologie. Dieser kann auf einfache Weise anhand weniger Konfigurationsparameter und mit nahezu allen Gerätetypen angewendet werden.

Globale Funktechnologie

Funkübertragung mit WirelessHART in Form von IEEE 802.15.4-Funkmodulen mit 10-mW-Funktransceiver kann über das lizenzfrei nutzbare 2,4-GHz-ISM-Frequenzband weltweit eingesetzt werden. Funkmodule gemäß 802.15.4 und ZigBee sind häufig die Grundlage für energieeffiziente Funknetzwerke.

Gegenüberstellung der WLAN- und WirelessHART-Kanäle

Gegenüberstellung der WLAN- und WirelessHART-Kanäle

Das Protokoll WirelessHART setzt die obersten vier Schichten des OSI-Schichtenmodells um und bietet dabei deutliche Vorteile gegenüber anderen Funksystemen mit geringer Leistungsaufnahme. Es ermöglicht einen zuverlässigen Parallelbetrieb und weist eine Reihe von Möglichkeiten für die optimale Verwaltung von Funkkanälen auf.

Darunter findet sich etwa eine Kombination aus Frequenzspreiz- und Frequenzsprungverfahren DSSS und FHSS, CCA-Technik (Clear Channel Assessment), kurze Übertragungszeiten und Blacklisting-Funktionalität.

Vollständig vermaschte Netze

Selbstheilendes Full-Mesh-Netzwerk  

Selbstheilendes Full-Mesh-Netzwerk

Haupteigenschaft von WirelessHART ist die Fähigkeit, vermaschte Netze selbstständig aufzubauen und zu konfigurieren. So kann jedes Endgerät im Netz über mehrere verschiedene Pfade redundant kommunizieren. Wobei die Reichweite im Freifeld ca. 250 Meter und die räumliche Ausdehnung der Installation in der Regel 50 bis 100 Meter beträgt.

Auf diese Weise ist gewährleistet, dass stets voll funktionsfähige und einsatzbereite Netzwerkknoten zur Verfügung stehen. Vollständig vermaschte Netze organisieren sich vollautomatisch. Sie sind außerdem selbstheilend, was eine dauerhafte Zuverlässigkeit und Planbarkeit auch bei wechselnden Umweltbedingungen gewährleistet.

Geräte in vermaschten Netzen können automatisch andere Geräte erkennen, die Stärke des Funksignals messen und Daten für Synchronisierung und Frequenzwechsel ermitteln. Je nach Bedarf können sie Verbindungen zu anderen Geräten aufbauen oder unterbrechen. Netzwerke und Netzwerkknoten sind durch eine eindeutige ID gekennzeichnet, weshalb mehrere Netzwerke parallel betrieben werden können, ohne dass es zu einem unerwünschten Datenaustausch oder fehlgeleiteten Signalen kommt.

Zeitsynchronisierte Kommunikation

Entscheidend für fehlerfreie Funkkanalverwaltung und funktionierenden Netzwerkaufbau ist eine exakte zeitliche Abstimmung der Datenübertragung.

Zur zeitlichen Regelung verwenden WirelessHART-Netzwerke das Zeitmultiplexverfahren TDMA (Time Division Multiple Access). Dabei steht für jeden der zeitlich exakt abgestimmten Übertragungsvorgänge ein Zeitfenster von 10 ms (Zeitschlitz) sowie einer der 15 Kanäle zur Verfügung. Wenn keine Kommunikation stattfindet, schalten die Geräte in einen energiesparenden Standby-Modus (ein Großteil der Geräte ist Batteriebetrieben).

Sichere Übertragung von Informationen

Die Informationssicherheit wird gewährleistet durch Funktionen zur Verschlüsselung, Authentifizierung und Sicherung der Datenintegrität. Dank der 128-Bit-AES-Verschlüsselung sind Daten vor dem unbefugten Zugriff durch Dritte geschützt.

Während der Authentifizierung wird die Gültigkeit der Senderidentität anhand von Paketquelladressen überprüft, die durch sogenannte 32-Bit-Message Integrity Codes (MIC) geschützt werden. Und die Sicherung der Integrität gewährleistet, dass Informationen unverändert mittels desselben MIC übertragen werden. Darüber hinaus tragen auch die Frequenzwechsel aufgrund der pseudo-zufälligen Sprungreihenfolge zur Datensicherheit bei.

WirelessHART-Netzwerke

Damit der Aufbau eines sicheren Netzwerks gewährleistet ist, ist für alle Geräte vor der Verbindung mit dem Netzwerk eine Authentifizierung erforderlich. Dazu senden und veröffentlichen die Netzwerkgeräte regelmäßig Netzwerkinformationen in Form kleiner Datenpakete, sogenannte Beacons.

Damit ein neues Gerät mit dem Netzwerk verbunden werden kann, muss es zunächst eins dieser Datenpakete empfangen. Sobald ein Beacon empfangen wurde, sendet das neue Gerät eine Verbindungsanfrage an den übergeordneten WirelessHART-Netzwerkmanager.

Authentifizierungsprozess für neue Netzwerkteilnehmer

Authentifizierungsprozess für neue Netzwerkteilnehmer

Die Verbindungsanfrage enthält neben der programmierten Netzwerk-ID des Geräts und dem Verbindungsschlüssel weitere Authentifizierungsdaten. Werden Netzwerk-ID und Verbindungsschlüssel vom Netzwerkmanager akzeptiert, sendet dieser folgende Informationen an das neue Gerät: Authentifizierungsdaten sowie Informationen zum Kommunikationspfad im Netz und zum vorgegebenen Zeitfenster für die Übertragung der Daten durch das Gerät.

Nach erfolgreicher Übermittlung ist das Gerät mit dem Netzwerk verbunden und kann seinerseits zur Übertragung und Veröffentlichung von Daten verwendet werden.

Die drei WirelessHART-Gerätetypen

WirelessHART GatewayWirelessHart-MessgerätWirelessHART-Adapter
WirelessHART GatewayWirelessHART-MessgerätWirelessHART-Adapter
FunktionsumfangWireless Access Point
+
Netzwerkmanager
+
Gateway
Funkmodul
+
Messmodul
+
Stromversorgung
Funkmodul
+
Anschlussmöglichkeit
für Bestandsgeräte
EinsatzbereichAnbindung an das Host-Systemkabellose MessungAnbindung von kabelgebundenen
Messgeräten an WirelessHART

Beim sogenannten WirelessHART-Gateway handelt es sich gemäß HART-Standard um ein Gerät, das aus drei Komponenten besteht:

  1. Das zur Verbindung der einzelnen Feldgeräte verwendete Funkmodul (Wireless Access Point).
  2. Die Software, die als zentrale Steuereinheit (Netzwerkmanager) die Netzwerkverbindungen steuert und für Netzwerksicherheit sowie die Authentifizierung der Feldgeräte sorgt. Der Netzwerkmanager optimiert außerdem den Datenverkehr im Netzwerk und stellt sicher, dass die Daten stets in den vorgegebenen Intervallen über die Netzwerkgeräte übertragen werden können.
  3. Das eigentliche Gateway, das als Schnittstelle zwischen dem Anlagennetzwerk bzw. Host-System und dem WirelessHART-Netzwerk fungiert. Die beschriebenen drei Komponenten können in einer Baugruppe zusammengefasst sein oder separat in beliebigen Kombinationen verwendet werden, mit der Möglichkeit zur späteren Erweiterung um mehrere Access Points.

WirelessHART-Geräte (meist kabellose Messgeräte) bestehen aus einem Funkmodul, das mit Mess- oder Monitoring-Funktionen kombiniert ist. Sie ermöglichen eine komfortable Erweiterung bestehender Systeme sowie einen raschen Einsatz in neuen Anlagen.

Zuvor aufgrund von hohem Verkabelungsaufwand oder ökologischen Beschränkungen unzugängliche Messpunkte können so problemlos integriert werden. Die Stromversorgung von WirelessHART-Geräten kann per Solar-, Netz- oder Batteriebetrieb sowie durch Schleifenversorgung erfolgen.

Mit dem WirelessHART-Adapter lassen sich bereits vorhandene, kabelgebundene HART-Geräte mit einem WirelessHART-Netzwerk verbinden. Der Adapter kann an die vorhandene 4-20-mA-Verkabelung angeschlossen werden und das darüber übertragene Signal aufnehmen, ohne dass dies gestört oder unterbrochen wird.

WirelessHART-Adapter können die Signale mehrerer HART-Geräte aufnehmen, weshalb Installationskosten niedrig gehalten werden können. Die Stromversorgung von WirelessHART-Adaptern kann durch Schleifenversorgung sowie per Netz- oder Batteriebetrieb erfolgen. Die Adapter werden insbesondere verwendet, um HART-Signale von bereits installierten und an einen Host ohne HART-Funktionalität angeschlossenen HART-Geräten aufzunehmen.

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