Jste zde

Bezdrátová průmyslová komunikace WirelessHART - Úvod

Antonín Vojáček, 13. Listopad 2022 - 19:08

Univerzálních bezdrátových průmyslových protokolů stále ještě není mnoho. Zejména pokud umožňují velké komunikační dosahy až stovek metrů a umožňují využívat MESH topologii sítě pro obcházení i velkých komunikačních překážek. Mezi takové patří např. WirelessHART.

Co je WirelessHART ?

WirelessHART (standard IEC 62591) je bezdrátový komunikační protokol průmyslových zařízení (senzorů či tzv. polních zařízení - field devices), který je součástí protokolu HART (Highway Addressable Remote Transducer). Je vytvořený na bázi rádiového standardu IEEE 802.15.4 a jde o robustní standard pro průmyslovou automatizaci podporovaný HART Communications Foundation, ABB, Siemens, Emerson a dalšími.

Na rozdíl od mnoha běžných IoT bezdrátových komunikačních protokolů založených na Wi-Fi a mobilních technologiích, které používají méně robustní síťovou topologii hvězda (Star topology) vyžadující připojení všech zařízení k centrálnímu zařízení, WirelessHART (někdy zkracováno na WHART) používá samoorganizující se síť s topologií MESH (používat však lze i síť typu hvězda). Díky tomu lze data směrovat i přímo mezi zařízeními a tak jejich pomocí zvětšovat rozsah sítě nebo vytvářet další redundantní komunikační cesty. Pokud tak jedna cesta selže, komunikující zařízení se automaticky přepne na redundantní cestu. Přeskakování frekvenčních kanálů společně s časovou synchronizací navíc zvyšuje spolehlivost sítě a umožňuje se vyhnout problémům s vlivem různých rušení.

WirelessHART byl navržen odborníky v oboru i s ohledem na bezpečnost. Jedná se o otevřený interoperabilní protokol, který je zabezpečený hned po vybalení, tedy zabezpečení je vždy zapnuté a není potřeba v tomto směru žádná uživatelská konfigurace. WHART udržuje data dobře zajištěna implementací silného šifrování pomocí 128bitových vícenásobných šifrovacích klíčů AES na základě standardu FIPS-197 (standardu vlády USA pro šifrování dat). I když zařízení v rámci mesh sítě směruje a přenáší data přes jiné sousední zařízení, toto zařízení nemůže tato data přečíst, protože nemá potřebné šifrovací klíče. WirelessHART zařízení se tak úspěšně využívají i v prostředích vyhovujících NERC CIP, prostředí IEC-62443 a také byla úspěšně nasazena v rámci NIST.

Příklad porovnání přenosové topologie typu hvězda (Start - obr. vlevo) a mesh (obr. vpravo). Zatímco topologie hvězda potřebuje přímo viditelnost na komunikační bránu, mesh síť využívá okolních jednotek pro pokrytí celé plochy prostoru a tím lze obcházet překážky.

Proč použít WirelessHART ?

Nástup internetu věcí/průmyslového internetu věcí (IoT/IIoT) vytvořil bezprecedentní příležitost k optimalizaci automatizace procesů a rozšíření úrovně monitorování výrobních aktiv nákladově efektivním způsobem. Na trhu se objevila široká škála technologií IoT/IIoT s různými případy použití. WirelessHART je postaven na základech drátového protokolu HART (Highway Addressable Remote Transducer), což je široce používaná a dobře srozumitelná technologie, která od roku 1986, kdy byl HART standardizován, pokryla již širokou škálu aplikací v průmyslovém prostředí (odhadem více než 50 000 sítí provozovaných po celém světě). WirelessHART má na co navazovat a tak se snadno instaluje v nových i stávajících závodech a je aktuálně nejběžnějším průmyslovým bezdrátovým protokolem, který se dnes používá.

Vývoj a rozmach používání standardů HART a následně WirelessHART.

WirelessHART je totiž navržen tak, aby splňoval přísné požadavky spojené s prostředím automatizace průmyslových procesů. Na rozdíl od jiných protokolů IoT/IIoT, které jsou navrženy tak, aby pokryly širší škálu prostředí a aplikací, byl WirelessHART navržen speciálně pro průmyslové aplikace a jejich náročná prostředí, které mají často velmi vysokou hustotu a variabilitu překážek a rušení. Dokáže tak zajistit spolehlivou komunikaci, i když přímá viditelnost k bezdrátovým branám není vždy možná a může se v průběhu času měnit (například změna postavení pohyblivých zařízení či vozidel).

Mezi základní výhody technologie WirelessHART (WHART) patří:

Spolehlivost komunikace – samoorganizující se a samoopravující bezdrátová síť typu mesh umožňuje komunikaci s bránou bez přímé viditelnosti všech zařízení a reaguje na měnící se podmínky rušení bez zásahu uživatele, což vede k 99,99% dostupnosti v dobře vytvořených sítích. Časová diverzita (TDMA), frekvenční diverzita (frequency hopping) a diverzita cest (mesh routing) zajišťují, že všechny přenášené pakety jsou přijímány bezeztrátově s minimální latencí.
Kybernetická bezpečnost – podrobné povinné bezpečnostní protokoly s hloubkovou ochranou zajišťují zabezpečení komunikace a sítí prostřednictvím dvouvrstvé strategie. Data jsou ověřována skok po skoku na vrstvě datového spojení a šifrována / ověřována end-to-end na transportní vrstvě. Protože zabezpečení není konfigurovatelné, volitelné nebo navržené dodavatelem (jako u většiny ostatních protokolů IoT/IIoT), koncoví uživatelé mohou pohodlně využívat sítě WirelessHART pro řízení a monitorování procesů i kritických aplikací a zařízení.
Škálovatelnost – samoorganizující se komunikační struktura umožňuje vybudovat velké sítě zařízení bez nutnosti přímé viditelnosti k branám (jak to vyžadují protokoly point-to-point či hvězda). Determinismus vlastní protokolu zajišťuje přenos zpráv tak, aby byly splněny přísné požadavky na spolehlivost a latenci vyžadované procesní automatizací, i když se počet zařízení zvyšuje.
Publish‐by‐exception – všechna provozní zařízení a adaptéry publikují (push) procesní data na základě podmínek procesu a zařízení. Tím je zajištěno, že data potřebná k řízení a monitorování závodu a jeho strojů / zařízení jsou k dispozici, když jsou potřeba. Ve srovnání se systémem dotazování Master jednotkou se tak snižuje energie potřebná k přenosu procesních a stavových dat na polovinu. Tato publikovaná data proudí přes síťovou bránu přímo do řídicích a monitorovacích systémů spojených s provozem.

Porovnání vhodnosti použití WirelessHART a dalšími drátovými komunikacemi (zelená = vhodné použití, žlutá = nejméně vhodné).

Struktura WirelessHART komunikační sítě

Jak již bylo zmíněno výše, WHART komunikační struktura je tvořená typem mesh síť, hvězda nebo jejich kombinace, která je tvořena několika typy jednotek, které mají WHART standardem definované základní funkční požadavky.

Příklad celé komplexní WirelessHART komunikační sítě s jednotlivými typy zařízení (viz popis níže).

Typy zařízení pro WirelessHART obecně spadají do jedné z následujících čtyř kategorií:

Senzory / zařízení (Field Device) - zařízení s již v sobě integrovanou WirelessHART komunikací kombinuje bezdrátovou komunikaci s tradičními funkcemi HART. Protože se polní zařízení (Field devices) nachází v mesh síti, předává/směruje také bezdrátové pakety jménem jiných síťových zařízení. Převážná většina těchto polních zařízení bývá napájena bateriemi či akumulátory pro snadnou instalaci a použití zcela bez kabeláže. Takové moderní bateriově napájené senzory vydrží bez výměny baterie až 15 let díky minimalizaci spotřeby energie a chytrému řízení vysílacího výkonu a periody vysílání dat. Pro potřeby prvotní aktivace, nastavení či údržby obvykle WHART zařízení obsahují ještě nějaké další rozhraní, dnes již obvykle Bluetooth nebo NFC pro možnost lokální komunikace s nějakou softwarovou aplikací v PC nebo Smartphonu (chytrém telefonu).
Adaptéry (Adapters) - slouží k připojení HART 4‐20mA zařízení (případně i převodníků jiných komunikačních protokolů) k WHART mesh síti. Adaptér je v podstatě jednokanálový vzdálený I/O poskytující bezdrátový přístup k zařízením s HART 4-20 mA rozhraním. Adaptéry jsou obvykle přímo napájeny ze smyčky 4-20 mA generované protilehlým komunikujícím / měřicím či řídicím zařízením.
Opakovače (Repeaters) - jsou to prakticky speciální zařízení (Field Device), která nevykonávají žádnou samostatnou měřící či pracovní činnost, ale slouží čistě jen jako dodatečný transportní / komunikační uzel mesh sítě pro překlenutí komunikačně "hluchého místa" při příliš velkých komunikačních vzdálenostech mezi pracujícími zařízeními / senzory a některou z bran. Zvyšují tak spolehlivost a stabilitu sítě. Často bývají také jen bateriově napájená, aby je bylo možné umístit i do špatně přístupných míst, kde nelze snadno umístit přímo samotnou bránu z důvodu špatné dostupnosti daného místa kabely.
Brány (Gateways) - shromažďují a předávají data do / z bezdrátové sítě typu mesh, spravují síťová zařízení a poskytují připojení k síti závodu. WHART brány dnes obvykle v sobě současně sdružují následující čtyři různé funkce:
- Přístupový bod: poskytuje bezdrátové připojení mezi zařízeními, adaptéry a opakovači a samotnou bránou. Realizuje a řídí samotné rádiové spojení, jeho vysílací výkon, přístup na kanál apod.
- Network Manager: spravuje veškerou konektivitu a aspekty zařízení a adaptérů. Odpovídá za konfiguraci sítě, plánování komunikace mezi jednotlivými zařízeními, správu směrovacích tabulek a hlášení o stavu.
- Security Manager: spravuje pověření zabezpečení (např. klíče, identity) a monitoruje stav zabezpečení sítě.

Výše uvedené základní hardwarové stavební prvky sítě pak lze v rámci mesh komunikační topologie různě organizovat a vhodně umísťovat v rámci vytváření požadovaného aktuálního pokrytí a i případné možnosti snadného budoucího rozšíření komunikační sítě o další účastníky, obvykle další WHART senzory a měřící zařízení, adaptéry nebo případně opakovače.

Strukturu WirelessHART sítě lze také případně rozdělit na jednotlivé úrovně (levels) dle typů zařízení: Field level (úroveň WHART zařízení a senzorů), Gateway level (úroveň WHART bran) a Host level (úroveň nadřazeného řídicího systému - obvykle průmyslové PC nebo server se vyhodnocovacím softwarem a HMI rozhraním).

Komunikační principy WirelessHART

WirelessHART využívá, podobně jako například WiFi komunikace, bezlicenční frekvenční pásmo 2,4 GHz ISM. WirelessHART tedy musí sdílet svou šířku pásma se všemi ostatními technologiemi pracujícími ve stejném pásmu. A to způsobí kolize a opakované přenosy pro každé zařízení v síti, protože tyto různé sítě nejsou vzájemně synchronizovány (WLAN, Bluetooth atd.). Proto WirelessHART současně kombinuje a využívá následující dvě techniky radiového přenosu dat:

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - FHSS systém po každém přenosu mezi dvěma sítěmi účastníků, rádiový kanál se změní. Přeskakování přes více frekvencí je osvědčený způsob vyhnout se rušení a překonat RF výzvy. Pokud je přenos zablokován, další přenos bude alternativnímu účastníkovi na jiné frekvenci. Výsledek je jednoduchý, ale extrémně odolný vůči typickému RF rušení.
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) - DSSS vysílá pro každý datový bit užitečné přenášené informace celkem osm bitů. Každý datový bit je totiž zašifrován tak, že hlavní datový bit je obnoven, i když méně než polovina z celkového počtu osm bitů je úspěšně přijata. Díky tomu je komunikace odolnější vůči krátkým poruchám a data není třeba znovu přenášet, což šetří čas, šířku pásma a i el. energii. To je výhodné pro bateriově napájené senzory.

Aby se předešlo kolizím a aby byla síť spolehlivá a stabilní, používá WirelessHART vícenásobný přístup s časovým dělením. To znamená, že každý odkaz má svůj jedinečný časový úsek pro komunikaci a navíc jsou ještě vyhrazeny další časové sloty pro opakované přenosy pro případ krátkodobého přerušení komunikace, i když jsou potřeba jen zřídka. Tento systém přenosu / přístupu se nazývá TDMA (Time Division Multiple Access). Má to však při všchuvedených výhodách i jednu nevýhodu. Vyšší četnost komunikace zařízení vyžaduje více časových úseků a celková dostupná šířka pásma sítě se tak snižuje. Ve skutečnosti by tak 1 sekundová perioda přenosu / vysílání dat může snadno vést k omezení maximálního počtu komunikujících zařízení v rámci jedné brány jen na 12 zařízení / senzorů (při periodě 8 sekund pak na cca 100 zařízení). Alternativně je možné provozovat dvě sítě WirelessHART paralelně, ale to také povede ke kolizím, což sníží šířku pásma obou sítí. Tento stav se však dá řešit tak, že místo jedné sítě s velkým dosahem, se vytvoří dvě sítě s krátkého dosahu pokrývající různé oblasti pouze s malými překrývajícími se oblastmi. Tím se zvýší jak stabilita přenosu tak možnost zvýšení počtu zařízení připojených na bránu a také životnost baterie zařízení. To prakticky znamená, že chcete-li pak minimalizovat spotřebu energie (například z baterie senzoru), snižte počet přenosů zařízení na cokoliv, co je nezbytné pro obsluhu aplikace. Je také důležité, aby byl počet opakovaných přenosů co nejnižší.

Pro možnou koexistenci WirelessHART komunikace s jinými komunikačními standardy (např. WiFi a jinými 802.15.4) musí obsahovat různé mechanismy pro řešení konfliktů a rušení, jako například změnu vysílací frekvence / komunikačního kanálu (channel), řízení vysílacího výkonu a nebo využití okolní zařízení v rámci mesh sítě.

WirelessHART poskytuje rychlost přenosu až 250 000 bitů za sekundu. To znamená, že WirelessHART je více než 200krát rychlejší než kabelový HART a dokonce šestkrát rychlejší než HART přes kabel RS-485. Přidělením speciálního „Fast Pipe“ kanálu účastníkovi sítě pak bezdrátová brána poskytuje i širokopásmové připojení, které je čtyřikrát rychlejší než normálně. To je dobré i pro přenos velkého množství dat, jako je nahrávání (např. update firmwaru senzoru) nebo stahování kompletní konfigurace (například kompletního nastavení senzoru a jeho "nastřádání" dat).

Porovnání některých základních pametrů drátového standardu HART a bezdrátového standardu WirelessHART.

Komunikační dosah a plánování WirelessHART sítě

Plánování struktury WirelessHART komunikační sítě ve velmi zastavěném průmyslovém prostředí výrobních hal a prostranství je často velmi náročné. Zejména například určení počtu a umístění WHART komunikačních bran pro nějakou nabídku či návrh řešení bývá často velmi náročné. Komunikační brány obvykle nejsou příliš levná záležitost (obvykle jsou dražší než samotná WHART zařízení / senzory), a proto je v zájmu nabídek realizace žádoucí minimalizace jejich počtu. Ale na druhou stranu špatné pokrytí a špatná struktura sítě z důvodu velkého vytížení malého počtu bran a velkých komunikačních vzdáleností může způsobovat nespolehlivý přenos dat a nebo velké časové prodlevy. Obecně však lze definovat několik obecných rad, které mohou i jen na papíře (např. pro cenovou nabídku) odhadnout potřeby WirelessHART struktury topologie.

Příklad definování velké (high) a malé (low) hustoty zastavěnosti prostoru a příklady útlumu úrovně komunikačního signálu při průchodu některými běžnými materiály vyskytující se v průmyslovém prostředí.

Typické hodnoty WirelessHART komunikační vzdálenosti od zařízení (senzoru) k bráně (gateway) jsou závislé na zastavěnosti prostoru jinými předměty a objekty (zejména těmi kovovými). Obvykle lze v základním přístupu uvažovat následující předpoklady:

Přímá viditelnost mezi zařízením a bránou (žádné překážky): možná vzdálenost až 250 metrů.
Nízká hustota zastavěnosti prostoru (otevřené oblasti, kde můžete vidět z jednoho zařízení na více dalších zařízení): možná vzdálenost až 150 metrů.
Střední hustota zastavěnosti prostoru (mohou se vyskytnout dočasné překážky - např. kamion projíždí procesní oblastí, vegetace je dočasná překážka): možná vzdálenost až 75 metrů.
Vysoká hustota zastavěnosti prostoru (významné kovové překážky nebo překážky z konstrukčního materiálu - např. ocelové vyztužené betonové stěny): možná vzdálenost až 30 metrů (odrazy rádiového signálu je třeba považovat za záložní cestu).

Příklady komunikačního dosahu WirelessHART zařízení k bránám dle zastavěnosti průmyslového prostoru.

Příklad 3 různých typů umístění brány podle různých potřeb instalace: nejkratší kabelové drátové napojení brány (obr. vlevo), největší spolehlivost sítě s bránou uprostřed sítě (obr. uprostřed) a umístění brány pro budoucí snadné rozšíření sítě o další zařízení/senzory (obr. vpravo).

Obecně existuje pro budování bezdrátové WirelessHART komunikační sítě několik základních pouček, které by se měly co nejlépe aplikovat pro spolehlivou a stabilní komunikační síť:

Poskytněte přímé bezdrátové připojení pro alespoň 25 % všech bezdrátových zařízení k bráně (relevantní ve velkých mesh sítích s mnoha bezdrátovými polními zařízeními a omezeným počtem bran), ostatní zařízení by mohla využívat nepřímé mesh cesty k bráně přes router.
Ujistěte se, že pro každé zařízení WirelessHART existují alespoň 3 sousední zařízení. V mesh konfiguraci by každé zařízení mělo dosáhnout brány s 2-3 skoky (jinak hrozí dlouhá latence a selhání komunikace).
Zkuste umístit senzor (WHART zařízení) alespoň 30 cm od kovových povrchů, trubek a stěn obsahujících kov a tak se vyhnout stínovaným oblastem a zajistit 360° vyzařování.
Zkuste umístit senzor (WHART zařízení) alespoň 1,5 metru nad zemí nebo povrchem, jinak bude signál pohlcen.
Umístěte všechny antény stejným směrem, tj. stejně jako brána (nejlépe svisle), aby se zabránilo nesouladu polarizace antén, který způsobuje zeslabení signálu.
Teoreticky by mohlo být nakonfigurováno až cca 200 senzorů / zařízení pro komunikaci s jednou WHART bránou. Nicméně v praxi pro stabilní síť se doporučuje nakonfigurovat / připojit max. 40 - 50 WHART zařízení na jednu bránu.

Jednou z nejdůležitější věcí v návrhu efektivní WirelessHART sítě je vhodné rozmístění bran pro zajištění dobrého signálového pokrytí celého požadovaného areálu (vpravo správný systém umístění, vlevo špatný systém umístění bran).

Stručný přehled základních vlastností standardu WirelessHART:

Plně kompatibilní s klasickým HART protokolem
Bezdrátový přenos dle standardu IEEE STD 802.15.4-2006 kompatibilní s DSSS
Bezdrátová síťová komunikace - samoorganizující se MESH sítě
Komunikace v 2.4GHz ISM radiovém pásmu
16 komunikačních kanálů (frekvenčních podpásem)
Přenosová rychlost 250 kB/s
Přístup na sběrnici pomocí TDMA (Time Division Multiple Access)
Podpora mnoho různých přenosových módů:
- jednosměrný přenos předem definovaných proměnných a hodnot
- spontánní přenos/hlášení pomocí výjimek - přenos informací při nastolení určitého stavu
- komunikace typu ad-hoc žádost/odpověď - přenos momentálně požadovaných informací
- automaticky segmentovaný přenos velkých bloků dat
Zabezpečení komunikace pomocí AES-128 blokového šifrování
Funkce pro sdílení ISM pásma různými standardy
- Clear Channel Assessment (CCA)
- Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - automatické přeskakování frekvenčních pásem (channel hopping) podle rušení
- Regulace vysílacího výkonu
Možnost zakazovat komunikaci pomocí blacklistů
Prioritní rozlišení všech typů přenášených zpráv - snadné zajištění QoS
Sdílená šířka pásma - pro pružné zajištění požadavků přenosu zpráv

Vhodnost použití WirelessHART v různých oblastech průmyslu: bezpečnost (Safety), řízení (Control) a měření veličon a monitorování chodu strojů a linek (Monitoring) - zelená = vhodné použití, žlutá = nejméně vhodné.

Závěr

V tomto úvodu do komunikačního standardu WirelessHART jsem se pokusil nastínit obecné informace, jak tato průmyslová bezdrátová komunikace funguje z pohledu radiové přenosové části, jaké má z toho plynoucí výhody a jak vypadá základní komunikační struktura obecné WirelessHART komunikační sítě v průmyslovém prostředí.

V dalších článcích o WirelessHART se pak detailněji zaměřím na strukturu samotného komunikačního protokolu z pohledu přenášených dat a jejich zabezpečení, správné plánování WHART sítě s využitím některých základních pravidel a příkaldy některých zajímnvých WHART průmyslových senzorů různých veličin.