Jste zde

Bezdrátová průmyslová komunikace WirelessHART – komunikační model

Antonín Vojáček, 10. Leden 2023 - 19:35

WirelessHART je univerzální bezdrátový průmyslový komunikační protokol, který umožňuje velké komunikační dosahy mnoha desítek až několika stovek metrů a využívá MESH topologii sítě. V tomto článku si pak podrobněji rozebereme jednotlivé vrstvy tzv. OSI modelu.

V prvním článku „Bezdrátová průmyslová komunikace WirelessHART - Úvod“ jsme si představili WirelessHART protokol a komunikaci zejména ze základního uživatelského pohledu, tedy jaké základní komunikační schopnosti lze od WirelessHART očekávat. Uvedl jsem zejména základní poučky a kritéria, jak by taková síť měla být realizována, aby byla dostatečně spolehlivá, efektivní i případně snadno dále rozšířitelná. V tomto článku si pak o něco více do hloubky popíšeme jednotlivé vrstvy komunikačního modelu.

Architektura sítě

Jak již bylo uvedeno i v prvním článku o WirelessHART „Bezdrátová průmyslová komunikace WirelessHART - Úvod“, architekturu bezdrátové komunikace a přenosu dat na jedné straně tvoří WirelessHART zařízení či případně adaptéry (tzv. WirelessHART Field Devices = WFD) a WirelessHART brány (Gateways) na straně druhé, které provádějí napojení WFD na nadřazené systémy (PLC, PC, DCS apod.). Za konfiguraci sítě, plánování komunikace mezi jednotlivými WFD, správu směrovacích tabulek a hlášení o stavu WirelessHART sítě je pak zodpovědný tzv. WirelessHART Network Manager. I když je podporována přítomnost většího počtu manažerů, v daný okamžik však v síti musí být aktivní vždy jen jeden. Mimo to může dále síť obsahovat WirelessHART adaptéry umožňující existujícím HART zařízením se integrovat do WirelessHART sítě nebo ruční jednotky WirelessHART Handhelds. To jsou přenosné (servisní) přístroje s vestavěným WirelessHART transceiverem, které podobně jako ve verzi pro klasickou HART umožňují přímé nastavení, čtení a sledování komunikace a parametrů jednotlivých zařízení v síti.

Základní popis vrstev OSI modelu

Fyzická vrstva - vlastnosti přenos. kanálu

Samotný přenosový kanál s přenosovou rychlostí 250 kB/s je na rozdíl od fyzických vodičů u klasického HART založen na komunikaci dle standardu IEEE STD 802.15.4-2006, kde se ve volném ISM frekvenčním pásmu 2400 až 2483,5 MHz a při jmenovitém vysílacím výkonu 10 dBm přenáší data dnes již klasickou kvadraturní modulací O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying) v rozprostřeném frekvenčním spektru DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Protože v této oblasti radiového pásma již pracuje velké množství jiných dalších přenosových standardů (WiFi, Bluetooth a další), jsou pro zajištění co nejmenšího vzájemného rušení s dalšími komunikačními standardy všechna WirelessHART zařízení vybavena regulací vysílacího výkonu a automatickým střídáním/měněním kanálů (channel hopping). Z pohledu přenosu dat je limitující maximální délka datového bloku rámce zprávy na 127 bajtů.

Linková vrstva - IEEE 802.15.4

Linková vrstva je plně vystavěna na MAC PDU standardu IEEE 802.15.4 a podporuje dlouhé i krátké adresování (malé i rozsáhlé sítě). Speciální jsou pak EUI-64 adresy založené na unikátním HART indikátoru (HART ID) a HCF identifikátoru (HCF ID). WirelessHART DLPDU bajt pak určuje typ paketu. Pro zajištění spolehlivého provozu se využívá řízení přístupu na linku pomocí technologie TDMA (Time Division Multiple Access) s časovými sloty (timeslots), kde veškerá komunikace mezi zařízeními probíhá v předdefinovaných časových oknech, která mohou být organizovaná do tzv. super-rámců. Ty umožňují přenos 100 timeslotů za sekundu a jejich použití může být povoleno či zakázáno v závislosti na šířce frekvenčního pásma. Všechna zařízení s komunikací WirelessHART podporují různá provedení super-rámců s odlišným počtem timeslotů, což umožňuje "míchat" rychlou jednosekundovou a pomalou minutovou, periodickou a neperiodickou síťovou komunikaci. Pro kontinuální synchronizaci TDMA funkce celé sítě slouží běžné potvrzovací pakety (Acknowledgement packets) obsahující časovou informaci. Od jednoho zdrojového zařízení k dalším mohou být vytvořeny přiřazeny linky, které mohou navíc být sdíleny mezi vícenásobnými zdroji.

Channel blacklisting podporuje prioritizaci zprávy DLPDU podle řízení toku dat na jednu ze čtyř následujících úrovní:

Příkazy (nejvyšší priorita) - pakety určené pro řízení HART/WirelessHART sítě.
Procesní data - téměř každý paket přenášející nějaká procesní data.
Normální – pro zprávy, které se nehodí do žádné jiné kategorie.
Alarmy (nejnižší priorita) - pakety obsahující pouze hlášky a reporty událostí.

Síťová vrstva - směrování a topologie sítě

Síťová vrstva určuje topologii, která u WirelessHART může být až v podobě plné mesh sítě. Všechna zasíťovaná zařízení musí být vždy plně funkční, musí přijímat a vysílat pakety a podporovat jejich směrování na cestě k sousedním zařízením. Spolehlivost dobře formované sítě je díky mnoha variantám možných cest veliká, často lepší než 99.73 % (někdy až 99.9999998 %).

Z pohledu uspořádání sítě WirelessHART jsou podporovány následující 3 možné topologie:

Mesh sítě - pro složitější síťovou komunikaci. Všechny uzly (jednotky/zařízení) se zároveň chovají jako směrovací uzly (Routing Nodes), což umožňuje funkci samoorganizace.
Hvězda - pro jednoduchou síť. Jen několik senzorů přenášejících naměřená data například do PLC.
Hvězda-Mesh - kombinace topologií mesh a hvězda.

Důležitá praktická poznámka: Obvykle v základním nastavení správce sítě (obvykle v podobě WirelessHART gateway jednotky) bývá dost často přednastavená topologie "hvězda" a pro aktivací "mesh" topologie je obvykle nutné provést přepnutí někde v nastavovacím menu. Je to obvykle z důvodu minimalizace / snížení spotřeby zcela bateriově napájených polní zařízení (WFD). Směrování správ v rámci mesh sítě totiž obvykle vyžaduje více vysílacích úkonů a tedy vede k rychlejšímu vybíjení baterie dané jednotky fungující v rámci mesh i jako „přeposílač“ (prodlužovač komunikace) pro ostatní okolní WFD.

Výhodou mesh sítí je jejich schopnost samoorganizace a samoopravy, což v praxi znamená, že každá komunikující jednotka "hlídá" svoje nejbližší sousední jednotky, s nimi vytváří přenosové cesty a linky, měří sílu RF signálu, získává informaci o synchronizaci a přeskakování frekvencí (frequency hopping) apod. Každé zařízení má tak schopnost směrovat provoz od svých nejbližších sousedů na základě vzájemných RF spojení a výkonnosti sítě. Tento princip tak dokáže vytvářet jednoduchou a robustní komunikační síť s možností snadného měnění její velikosti (dynamické rozšíření a zmenšování sítě dle potřeby).

S ohledem na co největší flexibilitu a spolehlivost přenosu bylo již přímo v protokolu pro WirelessHART implementováno několik zajímavých funkcí pro směrování zpráv:

Redundantní směrování plné mesh topologie, kde každé zařízení/jednotka má v záloze vždy několik cest, jak se dostat k gateway jednotce. K tomu to účelu si spravuje tzv. upstream a downstream směrovací graf, který průběžně updatuje a podle něho se pak volí nejlepší trasa.
Zdrojové směrování pro ad-hoc komunikace s potvrzením platnosti cesty.
Podpora všech běžných typů přenosu - broadcast, multicast a unicast.
Dynamické řízení šířky pásma, které umožňuje k alokaci a dealokaci super-rámců a linků podle toho, jak jsou nastavena zařízení a jejich požadavky (např. při blokovém přenosu balíku dat se alokuje větší šířka pásma, která se po skončení přenosu opět sníží).

Transportní vrstva

Jednoduchá transportní vrstva poskytuje nepotvrzené přenosy a i potvrzené přenosy, včetně automatického opakování k potvrzení úspěšného datového přenosu. Transportní vrstva také podporuje TCP blokový přenos velkých bloků dat. Data jsou automaticky segmentována ve zdroji a znovu spojena v cílovém zařízení a blokové přenosy jsou transparentní do vyšších hladin.

Aplikační vrstva – příkazy a přenos dat

Standardní datový model HARTu je podporován prostřednictvím bezdrátových komunikačních kanálů, kde může brána číst nebo zapisovat parametry prostřednictvím datové interakce typu klient-server. Výměna dat je potvrzena end-to-end mezi klientskými a serverovými zařízeními.

Aplikační vrstva definuje specifické chování a funkčnost aplikace komunikujících zařízení. Tato funkce zahrnuje (ale nemusí být nutně omezena) na definování:

Jaké jsou vstupy a výstupy zařízení?
Jak bude zařízení uváděno do provozu, konfigurováno a kalibrováno?
Lze ke konfiguraci/provozu zařízení použít standardní příkazy HART, nebo musí být specifické pro zařízení a musí být vytvořeny příkazy pro umožnění funkčnosti?
Bude zařízení muset poskytovat nějaké externí alarmy?

Před definováním funkce specifické pro aplikaci provozního zařízení (WFD) je důležité porozumět základním datovým modelům založeným na standardu HART/WirelessHART a sadám příkazů.

Sady příkazů

WirelessHART (stejně jako HART) podporuje různé sady příkazů, které se zaměřují na různé funkční aspekty provozního zařízení. Všechny příkazy jsou navrženy tak, aby generické hostitelské aplikace mohly používat zařízení bez potřeby EDD konfiguračních souborů nebo ovladačů specifických pro zařízení.

Univerzální příkazy (Universal Commands) - jde o zcela základní příkazy nutné pro provozování HART/WirelessHART. Používají se například ke čtení identifikátorů zařízení, proměnných zařízení a také ke konfiguraci různých HART / WirelessHART parametrů. Všechna zařízení s aktivovanou HART / WirelessHART komunikací musí podporovat všechny tyto univerzální příkazy. Obsahují například: přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis, hodnotu proudu na výstupu a jeho procentuální úroveň z rozsahu, sériové číslo, měřicí rozsah a limity apod.
Standardní sada příkazů zařízení (Common Practice Commands) - jde sice o standardní příkazy, které však slouží "jen" k ovládání samotného WFD (nikoliv pro samotný provoz HART/WHART komunikace) a tak nemusí již být implementovány ve všech HART/WHART zařízeních. Primárně se zaměřují na kalibraci provozních zařízení, konfiguraci rozsahů a také čtení a zápis dalších konfiguračních parametrů. Někdy jde o neveřejné příkazy používané výrobci pro svá zařízení a proto zůstávají důvěrné. Obsahují například následující možnosti: čtení a volba až čtyř dynamických proměnných, změnu rozsahu vysílače, nastavení pevného výstupního proudu, provádění samotestování, zápis tlumící časové konstanty apod.
Řídicí příkazy pro bezdrátovou síť (Wireless Control Commands)- používané společně polními WFD zařízeními, adaptéry a i WirelessHART sítěmi ke správě všech aspektů bezdrátové komunikace, včetně poskytování, přidělení šířky pásma, zabezpečení, bezdrátové koexistence, hlášení o stavu a dalších. Nejsou tedy součástí standardního HART drátového protokolu a jsou tedy jen speciálně určené pro WirelessHART.
Specifické příkazy zařízení (Device Specific Commands)- poskytují funkce, které jsou jedinečné pro konkrétní typ provozního zařízení. Jde tedy o speciální příkazy funkcí, které jsou unikátní pro určitou skupinu přístrojů funkce. Například obsahují započetí a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů, nastavení a informace o kalibraci, specifické informace o stavu a konstrukci zařízení, čtení a zápis typu senzoru, mazání čítačů, servisní testování zařízení, softwarové spínání relé apod.

Při vývoji provozního zařízení musí vývojář namapovat požadovanou funkčnost aplikační vrstvy provozního zařízení na některou z výše uvedených sad příkazů. Pokud provozní zařízení obsahuje specifickou funkcionalitu, která není dostupná prostřednictvím příkazů definovaných standardem, musí vývojář tuto jedinečnou funkci namapovat do příkazů specifických pro zařízení (Device Specific Commands). Pro maximalizaci interoperability se důrazně doporučuje pokusit se namapovat všechny funkce zařízení na standardní příkazy (Common Practice Commands) a vyhradit příkazy specifické pro zařízení na skutečně jedinečné funkce zařízení pouze v případě potřeby. Seznam dostupných příkazů lze nalézt v "Souhrnné specifikaci příkazů a dalších podrobných specifikacích příkazů", které jsou k dispozici na stránce specifikace protokolu HART na webu FieldComm Group. Výsledkem definování funkčnosti aplikační vrstvy provozního zařízení by měla být mapa příkazů, které bude provozní zařízení podporovat, aby splnilo požadované funkční požadavky.

Dynamické proměnné

Standard HART / WirelessHART navíc mimo klasický systém dotaz - odpověď spoléhá i na rychlejší mechanismus přenosu / publikování dat z WFD pomocí tzv. burst režimu využívajícího tzv. dynamické proměnné. Ty jsou přenášeny periodicky s předem nakonfigurovanou periodicitou. WirelessHART konkrétně podporuje „bursting“ čtyř proměnných:

PV (primární proměnná),
SV (sekundární proměnná),
TV (terciární proměnná)
QV (kvartérní proměnná)

Těmito proměnnými lze automaticky periodicky přenášet z WFD zařízení do WirelessHART Gateway prostřednictvím bezdrátových datových paketů. Mimo tyto 4 dynamické proměnné však lze i další proměnné posílat prostřednictvím tzv. shlukového mechanismu, kde provozní WFD zařízení vytvářejí tzv. vícenásobné shlukové datové toky. To jsou různé sady proměnných, které jsou odesílány s různou periodicitou. Periody jsou konfigurovatelné a podporované periody hlášení jsou obvykle 1, 2, 4, 8, 16, 32 sekund nebo 1 až 60 minut v závislosti na podpoře správce WirelessHART sítě (obvykle firmwaru dané WirelessHART Gateway).

Příklad blokové struktury polního WirelessHART měřícího zařízení (WFD).

Závěr

Protokol WirelessHART byl speciálně navržen tak, aby poskytoval nejvyšší úroveň zabezpečení dat uživatelům provozních zařízení ve zpracovatelském průmyslu. Kombinace navržených bezpečnostních funkcí WirelessHART s osvědčenými postupy sítě provozních technologií (OT) a informačních technologií (IT) vytvoří vysoce výkonnou bezdrátovou síť polních zařízení, která maximalizuje dostupnost dat, důvěrnost a integritu a zároveň spolehlivě dodává procesní data do průmyslových aplikací.

V příštím článku o WirelessHART se budeme zabývat aktuálně velmi akcentovanou oblastí komunikační bezpečnosti – jak WirelessHART zabezpečuje přenos a chrání přenášená data i připojení "falešného / podvodného" zařízení do WirelessHART sítě.