WirelessHART

Надежная передача радиосигналов в промышленном окружении

Логотип WirelessHART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) — глобальный стандарт протоколов для интеллектуального оснащения приборами в обрабатывающей промышленности. В настоящее время во всем мире установлены более 30 миллионов поддерживающих HART устройств. Однако весь потенциал устройств используется только у 10 % приборов.

Стандарт WirelessHART разработан HART Foundation для обеспечения возможности эффективного использования поддерживающих HART устройств. Изделия WirelessHART производства Phoenix Contact разработаны для быстрой интеграции в существующие системы.

WirelessHART: первый стандарт радиосвязи для промышленного применения

В 2007 году компания HART Communication Foundation опубликовала первый стандарт радиосвязи, разработанный специально для применения в промышленности. Энергоэффективная технология радиосвязи WirelessHART является частью стандарта HART 7 и применяется в приложениях с измерительной техникой для замены или улучшения эксплуатации обычных сигнальных жил 4…20 мА.

Стандарт WirelessHART основывается на прочной и надежной технологии. Она может быть использована простым способом при помощи нескольких настраиваемых параметров практически со всеми типами устройств.

Глобальная технология радиосвязи

Радиопередача WirelessHART в форме модулей радиосвязи IEEE 802.15.4 с радио-приемо-передатчиком 10 мВт может использоваться во всем мире без лицензии в диапазоне частоты ISM 2,4 ГГц. Радиомодули в соответствии с 802.15.4 и ZigBee часто являются основой энергоэффективных сетей беспроводной связи.

Противопоставление каналов WLAN и WirelessHART

Противопоставление каналов WLAN и WirelessHART

Протокол WirelessHART реализует четыре верхние слоя многоуровневой модели OSI и при этом обладает существенными преимуществами по сравнению с другими системами радиосвязи ограниченной мощности. Он дает возможность надежной параллельной эксплуатации и имеет ряд особенностей для оптимального управления каналами радиосвязи.

Среди них, например, комбинация из методов расширения спектра и частотной манипуляции DSSS и FHSS, технологии CCA (Clear Channel Assessment), короткого времени передачи и функции занесения в черный список.

Комплектные ячеистые сети

Самовосстанавливаящаяся полносвязная ячеистая сеть  

Самовосстанавливающаяся полносвязная ячеистая сеть

Главной характеристикой WirelessHART является возможность самостоятельного построения и конфигурирования ячеистых сетей. Так любое оконечное устройство в сети может создавать резервную связь по большому количеству различных путей. Причем дальность действия в полевых условиях составляет прибл. 250 метров, а протяженность монтажа, как правило, - от 50 до 100 метров.

Таким образом гарантируется постоянное наличие полностью функциональных и готовых к эксплуатации сетевых узлов. Комплектные ячеистые сети организуются полностью автоматически. Кроме того, они самовосстанавливающиеся, что гарантирует продолжительную эксплуатационную надежность и планируемость даже при меняющихся окружающих условиях.

Устройства в ячеистых сетях могут автоматически распознавать другие устройства, измерять силу радиосигнала и определять данные для синхронизации и смены частоты. В зависимости от потребностей они могут создавать или прерывать связь с другими устройствами. Сети и сетевые узлы обозначаются однозначным ID, поэтому несколько сетей могут работать параллельно без наличия нежелательного обмена данными или передачи ошибочных сигналов из другой сети.

Коммуникация с синхронизацией времени

Решающим фактором для безошибочного управления каналами радиосвязи и работы сети является точное временное согласование передачи данных.

Для временного регулирования сети WirelessHART применяют метод мультиплексирования с временным разделением TDMA (Time Division Multiple Access). При этом для каждого точно согласованного по времени процесса передачи определяется временной промежуток в 10 мс (временное окно) и один из 15 каналов. При отсутствии связи устройства переключаются в энергосберегающий режим резерва (большая часть устройств питается от батарей).

Надежная передача информации

Информационная безопасность гарантируется функциями кодирования, подтверждения и сохранения целостности данных. Благодаря кодированию AES 128 бит данные защищены от несанкционированного доступа третьих лиц.

В процессе подтверждения контролируется действительность идентификации передатчика на основе адресных данных источника пакета, защищенных так называемым 32-битным кодом целостности сообщения (MIC). И обеспечение целостности гарантирует, что информация в неизмененном виде передается при помощи того же кода MIC. Кроме этого, смена частоты тоже является механизмом защиты благодаря псевдо-случайной последовательности изменений.

Сети WirelessHART

Для обеспечения построения надежной сети, каждое устройство перед подсоединением к сети должно пройти процедуру аутентификации. Для этого сетевые устройства регулярно посылают и публикуют сетевую информацию в виде небольших пакетов данных, так называемых "бакенов".

Для успешного подсоединения к сети нового устройства, оно должно сперва принять один из таких пакетов данных. Как только "бакен" принят, новое устройство посылает вышестоящему устройству управления сетью WirelessHART запрос на соединение.

Процесс подтверждения новых участников сети

Процесс подтверждения новых участников сети

Запрос на соединение устройства наряду с запрограммированным сетевым ID устройства и ключом для соединения содержит дополнительные подтверждающие данные. Если сетевой ID и ключ для соединения подтверждаются устройством управления сетью, то оно посылает новому устройству следующую информацию: подтверждающие данные, а также информацию о пути связи в сети и заданному временному окну для передачи данных через устройство.

После успешной передачи устройство подсоединяется к сети, теперь оно может использоваться для передачи или опубликования данных.

Три типа устройств WirelessHART

Шлюз WirelessHARTИзмерительное устройство WirelessHartБеспроводной адаптер WirelessHART
Шлюз WirelessHARTИзмерительное устройство WirelessHartАдаптер WirelessHART
Объем функцийБеспроводная точка доступа
+
Устройство управления сетью
+
Шлюз
Радиомодуль
+
Модуль измерения
+
Блок питания
Радиомодуль
+
Возможность подключения
для существующих устройств
Область примененияПодключение к главной системебеспроводное измерениеПодключение кабельных
измерительных устройств к WirelessHART

Шлюз WirelessHART в соответствии со стандартом HART является устройством, состоящим из трех компонентов:

  1. Используемый для подсоединения отдельных полевых устройств радиомодуль (Wireless Access Point).
  2. ПО, обеспечивающее в качестве центральной единицы управления (устройство управления сетью) управление сетевыми соединениями, безопасность сети и подтверждение полевых устройств. Кроме того, устройство управления сетью улучшает поток данных в сети и обеспечивает надежность передачи данных через сетевые устройства с заданными интервалами.
  3. Собственно шлюз является интерфейсом между сетью установки или управляющей системой и сетью WirelessHART. Описанные три компонента могут быть собраны в одном блоке или использоваться по-отдельности в любой комбинации, с возможностью более позднего расширения при помощи многих точек доступа.

Устройства WirelessHART (часто беспроводные измерительные устройства) состоят из модуля радиосвязи в комбинации с функциями измерения или мониторинга. Они дают возможность удобного расширения существующих систем, а также быстрого применения в новых установках.

По причине больших затрат на кабельную разводку или из-за экологических ограничений теперь можно без проблем подсоединять даже трудно доступные точки измерения. Питание устройств WirelessHART может производиться через солнечные батареи, от сети или аккумуляторов, а также с токоприемником от шины.

При помощи адаптера WirelessHART можно подсоединять имеющиеся кабельные устройства HART к беспроводной сети WirelessHART. Адаптер подключается к имеющемуся кабелю 4-20 мА и и считывает передающийся по нему сигнал, не прерывая его и не создавая дополнительных помех.

Адаптеры WirelessHART могут принимать сигналы нескольких устройств HART, что позволяет удерживать затраты на монтаж на низком уровне. Питание устройств WirelessHART может производиться с токоприемником от шины, а также от сети или аккумуляторов. Адаптеры особенно часто используются для считывания сигналов HART с уже установленных устройств, поддерживающих HART, но не использующих все функции HART.

PHOENIX CONTACT - Россия
OOO "Феникс Контакт РУС"

119619, Москва,
Новомещерский проезд, д. 9, стр. 1
+7 (495) 933-8548