WirelessHART

Betrouwbare draadloze overdracht in procesomgevingen

Logo WirelessHART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) is een wereldwijde protocolstandaard voor de intelligente procesinstrumentatie. Er zijn tegenwoordig al meer dan 30 miljoen voor HART geschikte apparaten in installaties over de hele wereld geïnstalleerd. Maar bij slechts 10 % worden alle mogelijkheden ten volle benut.

De standaard WirelessHART is ontwikkeld door de HART Foundation om voor de gebruikers een effectiever gebruik van hun voor HART geschikte apparaten mogelijk te maken. WirelessHART-producten van Phoenix Contact zijn ontworpen met het oog op een snelle integratie in bestaande systemen.

WirelessHART: de eerste draadloze standaard voor industriële toepassingen

In 2007 publiceerde de HART Communication Foundation de eerste draadloze standaard die speciaal op industriële toepassingen is gericht. De energie-efficiënte draadloze technologie WirelessHART maakt deel uit van de standaard HART 7 en wordt in toepassingen van de procesmeettechniek gebruikt om traditionele 4…20-mA-signaaladers te vervangen of optimaal te gebruiken.

De standaard WirelessHART is gebaseerd op een robuuste en betrouwbare technologie. Deze kan op eenvoudige wijze aan de hand van een paar configuratieparameters en met vrijwel alle apparaattypen worden toegepast.

Wereldwijde draadloze technologie

Draadloze overdracht met WirelessHART in de vorm van IEEE 802.15.4-draadloze modulen met 10 mW-transceiver kan via de licentievrij te gebruiken 2,4 GHz ISM-frequentieband wereldwijd worden toegepast. Draadloze modulen volgens 802.15.4 en ZigBee vormen vaak de basis voor energie-efficiënte draadloze netwerken.

Vergelijking van de WLAN- en WirelessHART-kanalen

Vergelijking van de WLAN- en WirelessHART-kanalen

Met het protocol WirelessHART worden de bovenste vier lagen van het OSI-lagenmodel gerealiseerd en het biedt daarbij duidelijke voordelen in vergelijking met andere draadloze systemen met een geringe vermogensopname. Het maakt een betrouwbare parallelle werking mogelijk en biedt een scala aan mogelijkheden voor het optimale beheer van draadloze kanalen.

Daaronder vallen onder andere een combinatie van de twee vormen van spread spectrum-communicatie DSSS en FHSS, CCA-techniek (Clear Channel Assessment), korte overdrachtstijden en een blacklisting-functie.

Volledig vertakte netwerken

Zelfherstellend full-mesh-netwerk  

Zelfherstellend full-mesh-netwerk

De belangrijkste eigenschap van WirelessHART is de mogelijkheid tot het zelfstandig opbouwen en configureren van vertakte netwerken. Zo kan elk eindapparaat in het netwerk via meerdere verschillende paden redundant communiceren. Waarbij het bereik in het vrije veld ca. 250 meter en de ruimtelijke spreiding van de installatie doorgaans 50 tot 100 meter bedraagt.

Zodoende is gewaarborgd dat er altijd netwerkknooppunten beschikbaar zijn die volledig functioneren en gereed zijn voor gebruik. Volledig vertakte netwerken organiseren zichzelf volautomatisch. Bovendien zijn ze zelfherstellend, wat een duurzame betrouwbaarheid en planbaarheid garandeert, ook bij wisselende omgevingsomstandigheden.

Apparaten in vertakte netwerken kunnen automatisch andere apparaten herkennen, de sterkte van het draadloze signaal meten en gegevens voor synchronisatie en frequentiewisseling bepalen. Afhankelijk van wat er nodig is, kunnen ze verbindingen met andere apparaten opbouwen of onderbreken. Netwerken en netwerkknooppunten worden door een eenduidige ID gekenmerkt, waardoor meerdere netwerken parallel in bedrijf kunnen zijn zonder dat dit tot een ongewenste data-uitwisseling of fout verstuurde signalen leidt.

Tijdgesynchroniseerde communicatie

Van doorslaggevend belang voor een foutloos draadloos kanaalbeheer en een goed functionerende netwerkopbouw is een in tijd nauwkeurig afgestemde dataoverdracht.

Voor de regeling van de tijd gebruiken WirelessHART-netwerken de tijdmultiplex-methode TDMA (Time Division Multiple Access). Daarbij staat voor elke in tijd nauwkeurig afgestemde overdracht een tijdvenster van 10 ms (tijdslot) alsmede een van de 15 kanalen ter beschikking. Als er geen communicatie plaatsvindt, schakelen de apparaten in een energiebesparende standby-modus (een groot deel van de apparaten werkt op batterijen).

Veilige overdracht van informatie

De beveiliging van de informatie wordt gewaarborgd door functies voor encryptie, authenticatie en bescherming van de data-integriteit. Dankzij de 128-bits AES-encryptie zijn data beveiligd tegen onbevoegde toegang door derden.

Bij de authenticatie wordt de geldigheid van de zenderidentiteit aan de hand van het bronadres van de pakketten gecontroleerd, die door zogenaamde 32-bits message integrity codes (MIC) worden beveiligd. En de bescherming van de integriteit waarborgt dat informatie ongewijzigd door middel van dezelfde MIC wordt doorgegeven. Bovendien draagt de frequentiewisseling op basis van de pseudo-toevallige sprongvolgorde bij aan de dataveiligheid.

WirelessHART-netwerken

Voor alle apparaten geldt een verplichte authenticatie voordat er verbinding met het netwerk kan worden gemaakt, zodat de opbouw van een veilig netwerk gewaarborgd blijft. Hiertoe verzenden en publiceren de netwerkapparaten regelmatig netwerkinformatie in de vorm van kleine datapakketten, zogenaamde beacons.

Voordat een nieuw apparaat met het netwerk kan worden verbonden, moet het eerst een van deze datapakketten ontvangen. Zodra er een beacon is ontvangen, verzendt het nieuwe apparaat een verbindingsaanvraag naar de bovenliggende WirelessHART-netwerkmanager.

Authenticatieproces voor nieuwe netwerkdeelnemers

Authenticatieproces voor nieuwe netwerkdeelnemers

De verbindingsaanvraag bevat naast de geprogrammeerde netwerk-ID van het apparaat en de verbindingssleutel nog andere authenticatiegegevens. Worden de netwerk-ID en verbindingssleutel door de netwerkmanager geaccepteerd, dan verstuurt deze de volgende informatie naar het nieuwe apparaat: authenticatiegegevens alsmede informatie over het communicatiepad in het net en over het vastgelegde tijdvenster voor de overdracht van de data door het apparaat.

Na een geslaagde overdracht is het apparaat met het netwerk verbonden en kan het zelf voor de overdracht en melding van data worden gebruikt.

De drie typen WirelessHART-apparaten

WirelessHART-gatewayWirelessHart-meetapparaatWirelessHART-adapter
WirelessHART-gatewayWirelessHart-meetapparaatWirelessHART-adapter
Functionaliteitwireless access point
+
netwerkmanager
+
gateway
draadloos moduul
+
metingsmoduul
+
voeding
draadloos moduul
+
aansluitmogelijkheid
voor reeds aanwezige systemen
Toepassingsbereikkoppeling met het hostsysteemkabelvrije metingkoppeling van kabelgebonden
meetapparaten met WirelessHART

Bij de zogenaamde WirelessHART-gateway gaat het conform de HART-standaard om een apparaat dat uit drie componenten bestaat:

  1. Het voor de verbinding van de afzonderlijke veldapparaten gebruikte draadloze moduul (wireless access point).
  2. De software die als centrale regeleenheid (netwerkmanager) de netwerkverbindingen aanstuurt en voor netwerkveiligheid en authenticatie van de veldapparaten zorgt. Bovendien optimaliseert de netwerkmanager het dataverkeer in het netwerk en waarborgt dat de data altijd in de ingestelde intervallen via de netwerkmodulen kunnen worden doorgegeven.
  3. De eigenlijke gateway, die als interface tussen het installatienetwerk of hostsysteem en het WirelessHART-netwerk fungeert. De beschreven drie componenten kunnen in één componentengroep gecombineerd zijn of separaat in willekeurige combinaties worden toegepast, met de mogelijkheid tot latere uitbreiding met meerdere access points.

WirelessHART-apparaten (meestal kabelvrije meetapparaten) bestaan uit een draadloos moduul dat gecombineerd is met metings- of monitoring-functies. Deze maken een comfortabele uitbreiding van bestaande systemen en een snelle toepassing in nieuwe installaties mogelijk.

Meetpunten die vroeger vanwege te veel vergende bekabeling of vanwege ecologische beperkingen ontoegankelijk waren, kunnen zo probleemloos worden geïntegreerd. WirelessHART-apparaten kunnen door middel van zonne-energie, een netaansluiting of batterijen alsmede door middel van een lusvoeding worden gevoed.

Met de WirelessHART-adapter kunnen reeds aanwezige, kabelgebonden HART-apparaten met een WirelessHART-netwerk worden verbonden. De adapter kan op de aanwezige 4-20-mA-bekabeling worden aangesloten en het daarover doorgegeven signaal ontvangen zonder dat dat wordt gestoord of onderbroken.

WirelessHART-adapters kunnen de signalen van meerdere HART-apparaten ontvangen, waardoor de installatiekosten laag kunnen worden gehouden. De voeding van WirelessHART-adapters kan zowel door middel van lusvoeding als door middel van net- of batterijvoeding tot stand worden gebracht. De adapters worden vooral gebruikt om HART-signalen van reeds geïnstalleerde en op een host zonder HART-functionaliteit aangesloten HART-apparaten te integreren.

PHOENIX CONTACT B.V.

Hengelder 56
6902 PA Zevenaar
Postbus 246
6900 AE Zevenaar
(0316) 59 17 20

Deze website maakt gebruik van cookies. Als u onze site blijft gebruiken gaat u akkoord met het gebruik van deze cookies.
Lees onze privacy policy voor meer informatie.

Sluiten