WirelessHART

Transmisión inalámbrica fiable en el entorno de procesos

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HART (Highway Addressable Remote Transducer) es un estándar de protocolo global para la instrumentación de procesos inteligente. Actualmente, más de 30 millones de equipos aptos para HART están instalados en instalaciones de todo el mundo. Sin embargo, su pleno potencial solo se aprovecha en el 10 % de los equipos.

El estándar WirelessHART fue desarrollado por la HART Foundation para ofrecer a los usuarios un uso más efectivo de sus equipos aptos para HART. Los productos WirelessHART de Phoenix Contact se han diseñado para una rápida integración en sistemas existentes.

WirelessHART: el primer estándar inalámbrico para aplicaciones industriales

En el año 2007, la HART Communication Foundation publicó el primer estándar inalámbrico orientado especialmente a aplicaciones industriales. La tecnología inalámbrica WirelessHART eficiente energéticamente forma parte del estándar HART 7 y se utiliza en aplicaciones de la tecnología de medición de procesos para sustituir o utilizar de forma óptima conductores de señales de 4…20 mA usuales.

El estándar WirelessHART se basa en una tecnología robusta y fiable. Este puede utilizarse fácilmente mediante unos pocos parámetros de configuración y con prácticamente todos los tipos de equipos.

Tecnología inalámbrica global

La transmisión inalámbrica con WirelessHART en forma de módulos inalámbricos IEEE 802.15.4 con transceptores inalámbricos de 10 mW puede emplearse mediante la banda de frecuencia ISM de 2,4 GHz que puede utilizarse sin licencia en todo el mundo. Los módulos inalámbricos según 802.15.4 y ZigBee a menudo son la base de redes inalámbricas eficientes energéticamente.

Comparación de los canales WLAN y WirelessHART

Comparación de los canales WLAN y WirelessHART

El protocolo WirelessHART implementa las cuatro capas superiores del modelo de capas OSI ofreciendo así claras ventajas frente a otros sistemas inalámbricos con poco consumo de potencia. Permite un servicio paralelo fiable y ofrece toda una serie de posibilidades para la gestión óptima de canales inalámbricos.

Este incluye por ejemplo una combinación de proceso de ampliación de frecuencia y salto de frecuencia DSSS y FHSS, técnica CCA (Clear Channel Assessment), tiempos de transmisión cortos y funcionalidad Blacklisting.

Redes completamente enmalladas

Red Full Mesh autorregenerable  

Red Full Mesh autorregenerable

La principal característica de WirelessHART es la capacidad de diseñar y configurar redes enmalladas de forma autónoma. De este modo, cada equipo terminal puede comunicar de forma redundante en la red mediante varias rutas distintas. Para ello, el alcance al aire libre es de aprox. 250 metros y la extensión espacial de la instalación normalmente es de 50 a 100 metros.

De esta manera, se garantiza que siempre se disponga de nodos de red aptos para el funcionamiento y listos para el uso. Las redes completamente enmalladas se organizan automáticamente. Además, son autorregenerables, lo que garantiza una fiabilidad y planificación continuas incluso con condiciones ambientales cambiantes.

Los equipos en redes enmalladas pueden detectar automáticamente otros equipos, medir la intensidad de la señal inalámbrica y determinar datos para la sincronización y el cambio de frecuencia. Según sea necesario, puede establecer o interrumpir conexiones a otros equipos. Las redes y los nodos de red se identifican mediante un ID inequívoco, con lo que pueden accionarse paralelamente varias redes sin que se produzca un intercambio de datos no deseado o señales guiadas incorrectamente.

Comunicación sincronizada

Para una gestión de los canales inalámbricos sin fallos y una estructura de red que funcione es decisiva una coordinación temporal exacta de la transmisión de datos.

Para la regulación temporal, las redes WirelessHART utilizan el proceso de multiplexación  por división de tiempo TDMA (Time Division Multiple Access). Para ello, para cada proceso de transmisión coordinado exactamente se ofrece una ventana temporal de 10 ms (tramo temporal) así como uno de los 15 canales. Si no se produce ninguna comunicación, los equipos se conectan en un modo Standby con ahorro de energía (una gran parte de los equipos se acciona mediante baterías).

Transmisión segura de información

La seguridad de información se garantiza mediante funciones para el cifrado, la autentificación y el aseguramiento de la integridad de datos. Gracias al cifrado AES de 128 bits, los datos están protegidos frente al acceso no autorizado de terceros.

Durante la autentificación se comprueba la validez de la identidad del emisor mediante direcciones de origen de paquetes protegidas mediante la denominada Message Integrity Codes (MIC) de 32 bits. Y el aseguramiento de la integridad garantiza que la información se transmita sin modificaciones mediante el mismo MIC. Además, los cambios de frecuencia también contribuyen a la seguridad de los datos gracias a la secuencia de salto pseudoocasional.

Redes WirelessHART

Para que se garantice el establecimiento de una red segurad, se precisa una autentificación para todos los equipos antes de la conexión a la red. Para ello, los equipos de red envían y publican periódicamente información de red en forma de paquetes de datos pequeños, los denominados Beacons.

Para que pueda conectarse un nuevo equipo a la red, primero debe recibirse uno de estos paquetes de datos. En cuanto se ha recibido un Beacon, el nuevo equipo envía una solicitud de conexión al gestor de red WirelessHART de orden superior.

Proceso de autentificación para nuevos participantes de red

Proceso de autentificación para nuevos participantes de red

La solicitud de conexión incluye además del ID de red programado del equipo y la clave de conexión otros datos de autentificación. Si el gestor de la red acepta el ID de red y la clave de conexión, este envía la siguiente información al nuevo equipo: datos de autentificación así como información sobre la ruta de comunicación en la red y sobre la ventana de tiempo predeterminada para la transmisión mediante el equipo.

Una vez realizada la transmisión correctamente, el equipo está conectado a la red y puede utilizarse por su parte para la transmisión y la publicación de datos.

Los tres tipos de equipos WirelessHART

Pasarela de enlace WirelessHARTMedidor WirelessHARTAdaptador WirelessHART
Pasarela de enlace WirelessHARTMedidor WirelessHARTAdaptador WirelessHART
Alcance de las funcionesWireless Access Point
+
Gestor de redes
+
Pasarela de enlace
Módulo inalámbrico
+
Módulo de medición
+
Fuente de alimentación
Módulo inalámbrico
+
Posibilidad de conexión
para equipos existentes
Ámbito de aplicaciónConexión al sistema HostMedición sin cablesConexión de medidores
conectados por cable a WirelessHART

En la denominada pasarela de enlace WirelessHART, según el estándar HART se trata de un equipo que consta de tres componentes:

  1. El módulo inalámbrico utilizado para la conexión de los distintos equipos de campo (Wireless Access Point).
  2. El software, que como unidad de control central (gestor de red) controla las conexiones de red y se ocupa de la seguridad de red así como de la autentificación de los equipos de campo. El gestor de red optimiza además el tráfico de datos en la red y garantiza que los datos siempre puedan transmitirse en los intervalos predeterminados a través de los equipos de red.
  3. La propia pasarela de enlace, que actúa como interfaz entre la red de la instalación y el sistema host y la red WirelessHART. Los tres componentes descritos pueden estar unidos en un módulo o utilizarse por separado en las combinaciones que se desee con la posibilidad de una futura ampliación con varios puntos de acceso.

Los equipos WirelessHART (la mayoría medidores sin cables) constan de un módulo inalámbrico que está combinado con funciones de medición o monitorización. Permiten una cómoda ampliación de sistemas existentes así como un uso rápido en nuevas instalaciones.

De este modo, los puntos de medición antes no accesibles debido al elevado esfuerzo de cableado o a limitaciones ecológicas pueden integrarse sin problemas. La fuente de alimentación de los equipos WirelessHART puede realizarse mediante un servicio solar, de red o baterías así como mediante un proceso de bucle.

Con el adaptador WirelessHART pueden conectarse equipos HART conectados por cable ya disponibles a una red WirelessHART. El adaptador puede conectarse al cableado de 4-20 mA disponible y registrar la señal transferida mediante el mismo si que esta se someta a interferencias o se interrumpa.

Los adaptadores WirelessHART pueden registrar las señales de varios equipos HART, por ello los costes de instalación pueden mantenerse bajos. La fuente de alimentación de los adaptadores WirelessHART puede realizarse mediante un proceso de bucle así como mediante el servicio de red o baterías. Los adaptadores se utilizan especialmente para registrar señales HART de equipos HART ya instalados y conectados a un host sin funcionalidad HART.

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