WirelessHART

Transmission sans fil fiable en environnement de production

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La norme HART (Highway Addressable Remote Transducer) est une norme internationale de protocole pour l'instrumentation de processus intelligente. Plus de 30 millions d'appareils compatibles HART sont actuellement installés dans des installations du monde entier. L'ensemble de leur potentiel est néanmoins exploité dans seulement 10% des appareils.

La norme WirelessHART a été développée par la Fondation HART pour permettre aux utilisateurs une utilisation plus efficace de leurs appareils compatibles HART. Les produits WirelessHART de Phoenix Contact sont conçus pour être intégrés rapidement dans les systèmes existants.

WirelessHART : la première norme sans fil pour applications industrielles

En 2007, la Fondation HART Communication a publié la première norme sans fil, destinée spécifiquement aux applications industrielles. La technologie sans fil WirelessHART, efficace sur le plan énergétique, fait partie de la norme HART 7 et est utilisée dans des applications de technique de mesure de processus afin de remplacer et/ou d'utiliser de manière plus efficace les fils de signaux traditionnels 4...20 mA.

La norme WirelessHART s'appuie sur une technologie robuste et fiable. Celle-ci peut être appliquée de manière simple à l'aide de seulement quelques paramètres de configuration et avec quasiment tous les types d'appareils.

Technologie sans fil globale

La transmission sans fil avec WirelessHART, sous la forme de modules sans fil IEEE 802.15.4 avec transmetteur sans fil 10 mW, peut être utilisée à l'échelle mondiale grâce à la bande de fréquence ISM 2,4 GHz utilisable sans licence. Les modules sans fil suivant 802.15.4 et ZigBee servent fréquemment de base pour des réseaux sans fil efficaces sur le plan énergétique.

Comparaison des canaux WLAN et WirelessHART

Comparaison des canaux WLAN et WirelessHART

Le protocole WirelessHART met en oeuvre les quatre couches supérieures du modèle de communication en couche OSI, et offre ainsi des avantages considérables par rapport à d'autres systèmes sans fil à faible puissance absorbée. Il permet un fonctionnement fiable en parallèle et dispose d'un grand nombre de possibilités de gestion optimale des canaux sans fil.

On peut compter parmi elles une combinaison de procédés d'étalement de spectre et de saut de fréquence DSSS et FHSS, la technique CCA (Clear Channel Assessment), de courtes durées de transmission et une fonctionnalité Black Listing.

Des réseaux totalement maillés

Réseau Full-Mesh auto-réparateur  

Réseau Full-Mesh auto-réparateur

La caractéristique principale de la technologie WirelessHART est sa capacité à concevoir et à configurer en toute autonomie des réseaux maillés. Ainsi chaque équipement terminal du réseau peut communiquer de manière redondante par le biais de plusieurs chemins différents. Sachant que la portée en champ libre est d'env. 250 mètres et que l'ampleur géographique de l'installation est généralement de 50 à 100 mètres.

De cette manière, on garantit de toujours disposer de noeuds de réseaux totalement fonctionnels et opérationnels. Des réseaux totalement maillés s'organisent de manière parfaitement automatique. Ils sont en outre auto-réparateurs, ce qui assure une fiabilité et une planification durables même en cas de conditions ambiantes variables.

Les appareils intégrés dans des réseaux maillés peuvent détecter automatiquement d'autres appareils, mesurer la puissance du signal radio et déterminer les données nécessaires à la synchronisation et le changement de fréquence. En fonction des besoins, ils peuvent établir ou interrompre les liaisons vers les autres appareils. Les réseaux et les noeuds de réseaux sont identifiés par un ID unique, ce qui permet à plusieurs réseaux de fonctionner en parallèle sans qu'il se produise un échange de données indésirable ou bien des émissions erronées de signaux.

Communication synchronisée

Une coordination précise du temps en matière de transmission des données est un élément significatif pour une gestion sans erreur des canaux sans fil et pour la constitution d'un réseau fonctionnel.

Pour le réglage temporel, les réseaux WirelessHART utilisent le procédé de multiplexage temporel TDMA (Time Division Multiple Access). En outre, chacun des processus de transmission, dont le temps a été coordonné de manière précise, dispose d'une fenêtre temporelle de 10 ms (créneau temporel) et de l'un des 15 canaux. Lorsqu'aucune communication n'a lieu, les appareils basculent en mode d'économie d'énergie Standby (une grande partie des appareils fonctionne sur batterie).

Transmission sécurisée des informations

La sécurité d'information est garantie par des fonctions de chiffrement, d'authentification et de sécurisation de l'intégrité des données. Grâce au chiffrement AES 128 bits, les données sont protégées contre tout accès non autorisé par des tiers.

Pendant l'authentification, il est procédé à la vérification de la validité de l'identité de l'émetteur à l'appui des adresses sources du paquet, qui sont protégées par des codes MIC 32 bits (Message Integrity Code). Et la sécurité d'intégrité garantit que les informations sont transmises telles quelles à l'aide du même code MIC. Par ailleurs, les sauts de fréquence contribuent eux aussi à la sécurité des données puisqu'ils s'effectuent selon un ordre semi-aléatoire.

Réseaux WirelessHART

Pour garantir la mise en place d'un réseau sûr, une authentification est nécessaire pour tous les appareils avant la connexion au réseau. Pour cela, les appareils du réseau envoient et publient régulièrement des informations sur le réseau sous forme de petits paquets de données, appelés balises.

Pour qu'un nouvel appareil puisse être connecté au réseau, il doit tout d'abord recevoir l'un de ces paquets de données. Dès réception d'une balise, le nouvel appareil envoie une demande de connexion au gestionnaire de réseau WirelessHART supérieur.

Processus d'authentification pour les nouveaux participants du réseau

Processus d'authentification pour les nouveaux participants du réseau

Outre l'ID programmé du réseau et la clé de connexion, la demande de connexion contient d'autres données d'identification. Si l'ID réseau et la clé de connexion sont acceptées par le gestionnaire de réseau, celui-ci envoie les informations suivantes au nouvel appareil : données d'authentification et informations sur le chemin de communication sur le réseau et sur la fenêtre temporelle définie pour la transmission des données via l'appareil.

Après une transmission réussie, l'appareil est connecté au réseau et peut être utilisé, de son côté, pour la transmission et la publication de données.

Les trois types d'appareils WirelessHART

Passerelle WirelessHARTAppareil de mesure WirelessHARTAdaptateur WirelessHART
Passerelle WirelessHARTAppareil de mesure WirelessHARTAdaptateur WirelessHART
Ensemble des fonctionsPoint d'accès sans fil
+
Gestionnaire de réseau
+
Passerelle
Module sans fil
+
Module de mesure
+
Alimentation électrique
Module sans fil
+
Possibilité de raccordement
des appareils périphériques
Domaine d'applicationConnexion au système hôteMesure sans filConnexion d'appareils de mesure câblés
à WirelessHART

En ce qui concerne la passerelle WirelessHART, il s'agit, conformément à la norme HART, d'un appareil composé de trois éléments :

  1. Le module sans fil utilisé pour la connexion des différents appareils de terrain (point d'accès sans fil).
  2. Le logiciel, qui, comme une unité de commande centrale (gestionnaire de réseau), pilote les connexions du réseau et veille à la sécurité du réseau et à l'authentification des appareils de terrain. Par ailleurs, le gestionnaire de réseau optimise la circulation des données dans le réseau et veille à ce que les données puissent toujours être transmises via les appareils du réseau aux intervalles définis.
  3. La véritable passerelle, qui fait office d'interface entre le réseau des installations ou le système hôte et le réseau WirelessHART. Les trois composants décrits peuvent être réunis dans un sous-ensemble ou être utilisés séparément dans des combinaisons personnalisées, avec la possibilité d'une extension ultérieure avec plusieurs points d'accès.

Les appareils WirelessHART (la plupart du temps des appareils de mesure sans fil) sont composés d'un module sans fil combiné à des fonctions de mesure ou de surveillance. Ils permettent une extension aisée des systèmes existants ainsi qu'une intégration rapide dans les nouvelles installations.

Les points de mesure, autrefois inaccessibles en raison d'un coût élevé de câblage ou de restrictions écologiques, peuvent ainsi être intégrés sans problème. L'alimentation en tension des appareils WirelessHART peut se faire soit par énergie solaire, sur le secteur ou bien sur batterie, et via boucle d'alimentation.

L'adaptateur WirelessHART permet de raccorder les appareils HART câblés déjà existants à un réseau WirelessHART. L'adaptateur peut être raccordé au câblage 4-20 mA existant et peut prendre en charge le signal transmis par ce biais, sans que celui-ci ne soit perturbé ou interrompu.

Les adaptateurs WirelessHART peuvent prendre en charge les signaux de plusieurs appareils HART, ce qui permet de maintenir les coûts d'installation à un niveau faible. L'alimentation en tension des adaptateurs WirelessHART peut se faire soit par boucle d'alimentation, sur le secteur ou bien sur batterie. Les adaptateurs sont utilisés en particulier pour prendre en charge les signaux HART provenant d'appareils HART déjà installés et raccordés à un hôte sans fonctionnalité HART.

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