Explorando los avances y la implementación de WirelessHART para aplicaciones de IoT industrial
Las instalaciones de producción son tradicionalmente centros de actividad, con demandas cada vez mayores de precisión y mayor producción. El protocolo de comunicación con cable HART ha sido extremadamente popular, pero ha comenzado a mostrar sus limitaciones en los últimos años. WirelessHART, con beneficios que incluyen un menor costo de instalación, mejor confiabilidad y mayor seguridad, se está convirtiendo rápidamente en el protocolo preferido. Este artículo explora la idoneidad de la tecnología WirelessHART de Silicon Labs para aplicaciones industriales modernas.
Introducción
El Highway Addressable Remote Transducer (HART) es un protocolo de comunicación por cable que se utiliza ampliamente en industrias de procesos. Con más de 40 millones de dispositivos desplegados, HART es el estándar global para la comunicación digital sobre bucles de corriente analógica de 4-20 mA, conectando sistemas de control distribuido con instrumentos de campo, como sensores y actuadores.
WirelessHART fue introducido en 2007 como el primer protocolo de malla industrial que añade capacidad inalámbrica a HART, manteniendo la compatibilidad retroactiva con los sistemas HART existentes. WirelessHART utiliza un transceptor de radio estándar 802.15.4 que está restringido a la banda de frecuencia de 2.4 GHz accesible globalmente. En las capas superiores de la pila de protocolos, WirelessHART incluye numerosas adaptaciones y extensiones sobre el estándar 802.15.4 para satisfacer las estrictas necesidades de las aplicaciones industriales, como baja latencia, determinismo, robustez y seguridad. Las siguientes secciones proporcionan una visión general de WirelessHART.
WirelessHART: Arquitectura del sistema y operación
Un sistema WirelessHART se muestra en la Figura 1 e incluye los siguientes componentes:
- Gateway: Dispositivo central que permite la comunicación entre la red WirelessHART y el backend de automatización de procesos, que ejecuta la aplicación principal. El backend es una red Fieldbus cableada o Ethernet y puede incluir, por ejemplo, un Controlador de Automatización de Procesos (PAC), un Sistema de Control Distribuido (DCS), un Historiador de Datos o un Software de Gestión de Activos.
- Punto de acceso: Dispositivo que conecta el gateway con la red WirelessHART.
- Dispositivo de Campo: Nodo inalámbrico individual, generalmente un sensor o actuador, que también actúa como enrutador inalámbrico en la red de malla.
- Enrutador inalámbrico: Dispositivo inalámbrico opcional sin sensor ni actuador que se utiliza únicamente para enrutar paquetes de datos dentro de la red.
- Adaptador inalámbrico: Permite la conexión de dispositivos HART con cable a la red inalámbrica.
- Dispositivo portátil inalámbrico: Dispositivo de usuario final para apoyar la instalación, configuración, control, monitoreo y mantenimiento del sistema.
Arquitectura del sistema WirelessHART
Figura 1
Una red WirelessHART se forma alrededor del gateway, que generalmente actúa tanto como gestor de seguridad como gestor de red. Inicializa la red inalámbrica y agrega nuevos dispositivos de campo a medida que se ponen en servicio. Como gestor de seguridad, es responsable de generar, almacenar y gestionar las claves de seguridad, así como de mantener y controlar la lista de acceso a la red. Como gestor de red, es responsable de organizar centralmente los horarios de transmisión de radio, la secuencia de salto de frecuencia y las rutas de comunicación a lo largo de toda la red de malla inalámbrica. También es responsable de gestionar la topología, monitorear la salud de la red y adaptar las rutas entre los dispositivos de campo.
La red inalámbrica resultante es una red en malla redundante, auto-organizada, auto-reparable y adaptativa, que puede ser gestionada centralmente por el administrador de la red. La configuración central permite la optimización para diversas necesidades, como robustez, latencia, determinismo o duración de la batería. Por ejemplo, para aumentar la robustez, WirelessHART ofrece las siguientes técnicas:
- Diversidad de tiempo: El protocolo utiliza comunicación programada en el tiempo y admite la transmisión de datos redundante en múltiples intervalos de tiempo para mitigar problemas transitorios de comunicación.
- Diversidad de canales: El protocolo utiliza salto de canal, donde las transmisiones de datos redundantes ocurren en diferentes frecuencias, protegiendo así contra el desvanecimiento selectivo de canal y la interferencia de RF.
- Diversidad de rutas: El protocolo admite la definición de rutas redundantes en la red de malla para mejorar la robustez de la red frente a fallos de ruta.
Desde la introducción de WirelessHART, las industrias de procesos han desarrollado varias directrices y mejores prácticas para implementar y usar el protocolo WirelessHART. Por ejemplo, en lo que respecta al alcance de transmisión, las comunicaciones de un solo salto pueden lograr un alcance de 30 m en presencia de obstrucciones, pero un alcance mucho mayor es posible sin obstrucciones o en una configuración de comunicación de múltiples saltos. Del mismo modo, se puede lograr una latencia de red de menos de 100 ms en el caso de una topología en estrella, pero la latencia lograda generalmente depende del tamaño y la topología de la red. Finalmente, el tamaño de la red puede escalar hasta 80 dispositivos sin experimentar impactos en el rendimiento, pero puede crecer aún más hasta 250 dispositivos con compromisos en el rendimiento, como en latencia, rendimiento o vida útil de la batería.
Pila de protocolo WirelessHART
La pila de comunicación OSI de WirelessHART se muestra en la Figura 2.
| Red de Comunicación Inalámbrica (WPAN) | |
|---|---|
| Aplicación/Soporte de Aplicación | Protocolo HART orientado a comandos, modo de Solicitud/Respuesta, modo de Publicación, Notificaciones, Transferencia de Bloques |
| Capa de Transporte | Transporte orientado a la conexión, Transporte sin conexión |
| Capa de Red | Enrutamiento en gráfico multipath administrado centralmente, Enrutamiento de fuente, Enrutamiento de proxy, Seguridad |
| Capa de Enlace de Datos | 802.15.4 MAC personalizado, con modificaciones F/TDMA, TDMA administrado centralmente, Salto de canal sincronizado, Espacios compartidos (CSMA-CA), Seguridad |
| Capa Física |
|
WirelessHART Protocol Stack
Figura 2
La capa física de WirelessHART utiliza el estándar 802.15.4 (2006) con la restricción de usar solo 15 canales compatibles a nivel mundial, como se muestra en la Figura 3. Esto simplifica enormemente el diseño, el proceso de certificación y la implementación de dispositivos WirelessHART en diferentes países sin requerir cambios de configuración específicos para cada país. WirelessHART utiliza canales RF de 2 MHz de ancho que están separados por 5 MHz, con una potencia máxima de transmisión de 10 dBm. Utiliza modulación Offset Quadrature Phase Shift Keying (OQPSK) y una velocidad de datos de 250 kbps. Finalmente, el uso de Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) permite que el estándar inalámbrico sea resiliente contra interferencias RF y el desvanecimiento de canales.
Para lograr una comunicación robusta de grado industrial en la congestionada banda de frecuencia de 2.4 GHz, WirelessHART utiliza las siguientes técnicas: La capa MAC de WirelessHART emplea Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) para lograr una comunicación sin colisiones y determinista. El protocolo aprovecha el Espectro Disperso por Salto de Frecuencia (FHSS) para comunicarse en un canal inalámbrico diferente después de cada intervalo de tiempo, y finalmente, el protocolo admite la exclusión de canales inalámbricos que están muy congestionados y presentan un bajo rendimiento.
Canales de frecuencia de WirelessHART
Figura 3
Para lograr una comunicación robusta de grado industrial en la congestionada banda de frecuencia de 2.4 GHz, WirelessHART utiliza las siguientes técnicas: la capa MAC de WirelessHART usa Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) para lograr una comunicación sin colisiones y determinista. El protocolo utiliza Espectro Ensanchado por Salto de Frecuencia (FHSS) para comunicarse en un canal inalámbrico diferente después de cada intervalo de tiempo y, finalmente, el protocolo admite la exclusión de canales inalámbricos que están muy congestionados y sufren de un rendimiento deficiente.
La comunicación entre dispositivos WirelessHART ocurre en intervalos de 10 ms de duración. Durante cada intervalo, el dispositivo transmisor envía un paquete de datos y espera una confirmación del receptor. El protocolo forma una supertrama asignando un número configurable de tales intervalos, que se repite periódicamente, como se muestra en la Figura 4. La supertrama es controlada centralmente por el gestor de la red, que asigna cada intervalo a un dispositivo transmisor y receptor, así como al canal inalámbrico en el cual se realiza la comunicación. La asignación resultante de intervalos y canales se distribuye a los dispositivos de campo para la programación individual de radio. Además, el estándar también admite funciones como la transmisión de mensajes en difusión y la compartición de intervalos entre múltiples transmisores de manera contenciosa mediante Carrier Sense Multiple Access (CSMA).
Capa MAC de WirelessHART
Figura 4
La capa de red de WirelessHART soporta múltiples mecanismos de enrutamiento para establecer una red de malla robusta. Dos de los mecanismos se enumeran a continuación:
- La ruta de gráficos es el esquema de enrutamiento principal de WirelessHART, donde las rutas de la red son determinadas de manera centralizada por el gestor de la red y distribuidas a los dispositivos de campo individuales de la red en malla. Este esquema de enrutamiento ofrece flexibilidad, como configurar diferentes rutas para la comunicación de enlace ascendente, enlace descendente y transmisión. Además, también se pueden definir rutas redundantes para soportar la diversidad de rutas.
- El enrutamiento de origen es un mecanismo de enrutamiento suplementario para fines de diagnóstico y configuración de redes. En este esquema, el dispositivo de origen determina la ruta del paquete y escribe la lista ordenada de saltos intermedios dentro del encabezado de enrutamiento del paquete. Los nodos intermedios retransmiten el paquete basándose en esta información sin requerir ninguna configuración previa.
La capa de red de WirelessHART lo convierte en un protocolo altamente configurable porque el gestor de red tiene control total sobre tanto el horario F/TDMA de toda la red como el enrutamiento gráfico. Por ejemplo, el gestor de red puede optimizar tanto el esquema de enrutamiento como la capa MAC para lograr baja latencia y mejorar la robustez general. Al optimizar para la latencia, el gestor de red puede limitar la red a una topología de estrella o priorizar rutas de interés en el gráfico de enrutamiento según el horario F/TDMA. De manera similar, al mejorar la robustez, el gestor de red puede permitir que un dispositivo use múltiples intervalos de tiempo o añadir diversidad de rutas para la misma transmisión.
La capa de transporte de WirelessHART proporciona comunicación orientada a la conexión entre la aplicación host y los dispositivos de campo con la ayuda de confirmaciones de extremo a extremo y solicitudes de repetición automática (ARQ). Además, WirelessHART también admite transporte sin conexión sin confirmación, lo que es adecuado para casos en los que se prefiere una sobrecarga reducida.
Si bien la capa de aplicación de WirelessHART adopta un tipo de comunicación de comando-respuesta, también admite otros tipos, como la publicación de datos unidireccional, notificaciones espontáneas y transferencia de bloques de datos grandes. En el modo de comunicación orientado a comandos, la capa de aplicación HART garantiza la interoperabilidad con dispositivos HART heredados. En la comunicación se utilizan los siguientes tipos de comandos:
- Los comandos universales deben ser compatibles con todos los dispositivos HART del sistema, por ejemplo, para leer el estado del dispositivo y las variables de proceso.
- Los comandos de práctica común son opcionales pero altamente recomendados, ya que ofrecen funcionalidad adicional para la comunicación y configuración de dispositivos de campo.
- Los comandos inalámbricos son específicos de WirelessHART para apoyar la formación, el mantenimiento y la seguridad de la red, así como otras funciones de fondo.
- Se utilizan comandos específicos del dispositivo para apoyar funciones específicas de un dispositivo de campo o para implementar comandos específicos del proveedor.
Seguridad en WirelessHART
WirelessHART proporciona seguridad en múltiples niveles en la pila OSI usando cifrado AES de 128 bits. En la capa de red, cada mensaje está protegido de extremo a extremo para asegurar la confidencialidad del mensaje, la autenticidad del origen y la integridad de los datos. Además, se utiliza una clave compartida común por todos los dispositivos en la red para facilitar la transmisión de mensajes. Se asignan claves individuales a cada dispositivo durante la puesta en servicio y se actualizan periódicamente para ofrecer un nivel de protección aún más alto. Además, el proceso de puesta en servicio y la comunicación con los dispositivos portátiles inalámbricos también están asegurados. Además de la seguridad en la capa de red, la capa MAC también proporciona integridad de datos entre saltos sucesivos de comunicación en la red de malla.
Implementación de WirelessHART con SoC de Silicon Labs
Silicon Labs ofrece SoC inalámbricos, como el EFR32MG24, que pueden servir como base para implementar un producto WirelessHART. Este SoC específico incluye un transceptor de radio de 2.4 GHz conforme a 802.15.4, que presenta una sensibilidad de -105.4 dBm cuando opera en modo OQPSK DSSS utilizado por WirelessHART. Los 1536 kB de flash y 256 kB de RAM del EFR32MG24 pueden integrar tanto la pila inalámbrica como la aplicación en un solo SoC, permitiendo así un bajo costo de BOM. Además, el SoC puede operar en modos de Host, Network Co-Processor (NCP) y Radio Co-Processor (RCP) para soportar diferentes arquitecturas. En el ámbito del software, Silicon Labs proporciona un marco de programación limpio y fácil de usar para la biblioteca RAIL (Radio Abstraction Interface Layer), que es la interfaz más directa para la personalización a nivel de hardware de las radios EFR32.
Resumen
WirelessHART es un estándar industrial utilizado en sistemas de automatización de procesos, control y monitoreo. Aunque utiliza el transceptor de radio 802.15.4, se han añadido numerosas adaptaciones, como el espectro ensanchado por secuencia directa, el salto de frecuencia, etc. Esto permite que el protocolo mitigue los efectos de la interferencia de RF y el desvanecimiento del canal, cumpliendo así con las exigentes necesidades de las aplicaciones industriales. Además, al ser una red de malla gestionada centralmente, WirelessHART es capaz de soportar rutas redundantes entre nodos inalámbricos en la red, lo que le permite cumplir con el requisito de robustez. Finalmente, WirelessHART mantiene compatibilidad retroactiva con HART cableado, lo que incluye el soporte para dispositivos, comandos y herramientas de software existentes. Como proveedor de soluciones IoT, los SoCs de Silicon Labs, como el EFR32MG24, cuentan con las características de hardware y software necesarias para implementar un dispositivo WirelessHART.
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