WirelessHART

Trasmissione wireless affidabile nel settore dei processi

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HART (Highway Addressable Remote Transducer) è uno standard di protocollo globale per la trasmissione intelligente di informazioni digitali nell'industria di processo. Oltre 30 milioni di dispositivi compatibili con HART sono attualmente installati negli impianti di tutto il mondo. Il loro potenziale completo, tuttavia, è stato sfruttato solo nel 10% dei casi.

Lo standard WirelessHART è stato sviluppato dalla HART Foundation per permettere agli utenti di sfruttare in modo più efficace i loro dispositivi HART. I prodotti WirelessHART di Phoenix Contact sono progettati per essere rapidamente integrati in sistemi già esistenti.

WirelessHART: il primo standard radio per applicazioni industriali

Nel 2007 la HART Communication Foundation ha pubblicato il primo standard radio orientato specificatamente alle applicazioni industriali. La tecnologia radio WirelessHART a efficienza energetica fa parte dello standard HART 7 e viene utilizzata nei sistemi di misurazione di processo per sostituire o ottimizzare i tradizionali cavi di segnale da 4…20 mA.

Lo standard WirelessHART si basa su una tecnologia robusta e affidabile, è di facile impiego grazie ai pochi parametri di configurazione e può essere utilizzato per quasi ogni tipo di dispositivo.

Tecnologia radio globale

La trasmissione radio con WirelessHART, sotto forma di moduli radio IEEE 802.15.4 con transceiver radio 10 mW, può essere implementata in tutto il mondo, senza licenza, su una banda di frequenza ISM da 2,4 GHz. I moduli radio conformi alle norme 802.15.4 e ZigBee costituiscono spesso la base per reti wireless efficienti dal punto di vista energetico.

Confronto tra canali WLAN e WirelessHART

Confronto tra canali WLAN e WirelessHART

Il protocollo WirelessHART implementa i quattro livelli superiori del modello OSI e offre chiari vantaggi rispetto ad altri sistemi radio con ridotto assorbimento di corrente. Consente un funzionamento in parallelo affidabile e offre una serie di possibilità per la gestione ottimale dei canali radio,

tra cui una combinazione della tecnica di dispersione di spettro in banda base e di tecnologia a salto di frequenza DSSS e FHSS, tecnica CCA (Clear Channel Assessment), tempi brevi di trasmissione e funzionalità blacklisting.

Reti completamente interconnesse

Rete full-mesh auto rigenerante  

Rete full-mesh auto rigenerante

Caratteristica principale di WirelessHART è la capacità di creare autonomamente e configurare reti interconnesse. Questo consente a ogni dispositivo terminale in rete di comunicare su più percorsi diversi, in modo ridondante. La portata in campo libero è pari a circa 250 metri, la distanza di trasmissione dell'installazione va generalmente da 50 a 100 metri.

In questo modo è sempre garantita la disponibilità di nodi di rete pronti all'uso e completamente funzionanti. Le reti interamente interconnesse si organizzano in modo completamente automatico. Sono inoltre auto rigeneranti, questo garantisce un'affidabilità continua e una possibilità di pianificazione anche in condizioni ambientali mutevoli.

I dispositivi nelle reti interconnesse sono in grado di riconoscere automaticamente altri dispositivi, di misurare l'intensità del segnale radio e di determinare i dati per la sincronizzazione e il cambio di frequenza. All'occorrenza possono stabilire o interrompere i collegamenti con altri dispositivi. Le reti e i relativi nodi sono contrassegnati da un ID univoco. Possono così coesistere più reti in parallelo senza che si verifichi uno scambio di dati indesiderato o segnali fuorvianti.

Comunicazione sincronizzata

Un'esatta sincronizzazione della trasmissione dati è determinante per una gestione perfetta dei canali radio e per una struttura di rete correttamente funzionante.

Per la sincronizzazione le reti WirelessHART utilizzano un sistema multiplex a divisione di tempo TDMA (Time Division Multiple Access), in cui per ogni processo di trasmissione esattamente sincronizzato è disponibile una finestra temporale di 10 ms (intervallo di tempo) e uno dei 15 canali. In assenza di comunicazione, i dispositivi entrano nella modalità Standby di risparmio energetico (una grossa porzione dei dispositivi è alimentata a batteria).

Trasmissione sicura di informazioni

La sicurezza delle informazioni è garantita da funzioni quali, ad esempio, la cifratura, l'autenticazione e la protezione dell'integrità dei dati. Grazie alla cifratura 128-Bit-AES i dati sono protetti dall'accesso da parte di terzi non autorizzato.

Durante l'autenticazione viene verificata la validità dell'identità del mittente in base agli indirizzi delle sorgenti dei pacchetti, protetti dai cosiddetti Message Integrity Code a 32 bit (MIC). La protezione dell'integrità garantisce che le informazioni vengano trasmesse, invariate rispetto all'origine, mediante lo stesso MIC. Anche il cambio di frequenza, basato sulla sequenza di salto pseudo-casuale, contribuisce alla sicurezza dei dati.

Reti WirelessHART

Per garantire la creazione di una rete sicura, tutti i dispositivi devono essere autenticati prima che possano collegarsi alla rete. A tale scopo i dispositivi in rete trasmettono e pubblicano regolarmente le informazioni di rete sotto forma di piccoli pacchetti di dati, denominati "beacon".

Prima che un nuovo dispositivo possa essere collegato alla rete, dovrà ricevere uno di questi pacchetti di dati. Non appena riceve un beacon, il nuovo dispositivo invia una richiesta di collegamento al gestore di rete WirelessHART sovraordinato.

Processo di autenticazione per nuove utenze di rete

Processo di autenticazione per nuove utenze di rete

La richiesta di collegamento contiene, oltre all'ID di rete programmato del dispositivo e al codice di collegamento, altri dati per l'autenticazione. Se il gestore di rete accetta l'ID della rete e il codice di collegamento, invia le seguenti informazioni al nuovo dispositivo: dati di identificazione e informazioni sul percorso di comunicazione nella rete e sulla finestra temporale prestabilita per la trasmissione dei dati da parte del dispositivo.

Se l'autenticazione ha esito positivo, il dispositivo è collegato alla rete e può, a sua volta, essere utilizzato per la trasmissione e la pubblicazione di dati.

I tre tipi di dispositivi WirelessHART

Gateway WirelessHARTApparecchi di misura WirelessHartAdattatore WirelessHART
Gateway WirelessHARTApparecchio di misura WirelessHartAdattatore WirelessHART
FunzioniWireless Access Point
+
Gestore di rete
+
Gateway
Modulo radio
+
Modulo di misurazione
+
Alimentatore
Modulo radio
+
Possibilità di collegamento
per dispositivi di acquisizione dati
Campo di impiegoCollegamento al sistema hostMisurazione senza caviCollegamento di dispositivi di misurazione
collegati via cavo a WirelessHART

Il cosiddetto gateway WirelessHART è un dispositivo, conformemente allo standard HART, costituito da tre componenti:

  1. Il modulo radio utilizzato per collegare i singoli dispositivi di campo (Wireless Access Point).
  2. Il software, che in qualità di unità di comando centrale (gestore della rete), amministra i collegamenti di rete e provvede all'autenticazione dei dispositivi di campo. Il gestore di rete, inoltre, ottimizza il traffico dei dati e garantisce che possano essere inviati sempre agli intervalli predefiniti tramite i dispositivi di rete.
  3. Il vero e proprio gateway che funge da interfaccia tra la rete dell'impianto, o sistema host, e la rete WirelessHART. I tre componenti descritti possono essere riuniti in un unico modulo, oppure possono essere utilizzati separatamente in combinazioni a piacere, con la possibilità di ampliare successivamente il sistema con altri access point.

I dispositivi WirelessHART (generalmente apparecchi di misura senza cavi) sono costituiti da un modulo radio che combina funzioni di misurazione e monitoraggio. Possono essere utilizzati per ampliare sistemi esistenti e per l'impiego in nuovi impianti.

Questo permette di integrare senza problemi punti di misurazione prima difficilmente accessibili a causa dell'elevata complessità di cablaggio o di vincoli ambientali. L'alimentazione dei dispositivi WirelessHART può avvenire tramite batteria, rete, energia solare o ad anello.

L'adattatore WirelessHART permette di collegare i dispositivi HART già presenti e collegati via cavo a una rete WirelessHART. L'adattatore può essere collegato al cablaggio 4-20 mA presente e raccogliere il segnale trasmesso, senza che questo venga interrotto o disturbato.

Gli adattatori WirelessHART possono raccogliere i segnali di più dispositivi HART, mantenendo bassi i costi di installazione. L'alimentazione degli adattatori WirelessHART può avvenire mediante batteria, rete o alimentazione ad anello. Gli adattatori servono in particolare per raccogliere i segnali HART di dispositivi HART già installati e collegati a un host senza funzionalità HART.

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