Les sites de production sont traditionnellement des ruches d’activité, avec des exigences de plus en plus élevées en matière de précision et de rendement. Le protocole de communication filaire HART est extrêmement populaire, mais a commencé à montrer ses limites au cours des dernières années. Le protocole WirelessHART, qui présente des avantages tels que des coûts d’installation plus faibles, une meilleure fiabilité et une plus grande sécurité, est en passe de devenir le protocole de choix. Cet article examine la pertinence de la technologie WirelessHART de Silicon Labs pour les applications industrielles modernes.
Introduction
Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) est un protocole de communication filaire largement utilisé dans les industries de transformation. Avec plus de 40 millions d’appareils déployés, HART est la norme mondiale pour la communication numérique sur des boucles de courant analogiques 4-20 mA, reliant des systèmes de contrôle distribués à des instruments de terrain, tels que des capteurs et des actionneurs.
WirelessHART a été introduit en 2007 en tant que premier protocole industriel maillé qui ajoute une capacité sans fil à HART tout en maintenant une compatibilité ascendante avec les systèmes HART existants. WirelessHART utilise un émetteur-récepteur radio standard 802.15.4 limité à la bande de fréquence 2,4 GHz accessible dans le monde entier. Dans les couches supérieures de la pile de protocoles, WirelessHART inclut de nombreuses adaptations et extensions par rapport à la norme 802.15.4 pour répondre aux besoins rigoureux des applications industrielles, tels que la faible latence, le déterminisme, la robustesse et la sécurité. Les sections suivantes fournissent un aperçu de WirelessHART.
WirelessHART : architecture et fonctionnement du système
Un système WirelessHART est illustré dans la Figure 1 et comprend les composants suivants :
- Passerelle : dispositif central qui permet la communication entre le réseau WirelessHART et le backend d'automatisation des processus, qui exécute l'application hôte. Le backend est un réseau Fieldbus ou Ethernet câblé et peut inclure, par exemple, un contrôleur d’automatisation de processus (PAC), un système de contrôle distribué (DCS), un historien de données ou un logiciel de gestion des actifs.
- Point d’accès : dispositif qui interface la passerelle avec le réseau WirelessHART.
- Dispositif de terrain : nœud individuel sans fil, généralement un capteur ou un actionneur, qui fait également office de routeur sans fil dans le réseau maillé.
- Routeur sans fil : dispositif sans fil facultatif sans capteur ni actionneur, utilisé uniquement pour acheminer des paquets de données au sein du réseau.
- Adaptateur sans fil : permet d’interfacer des appareils HART câblés au réseau sans fil.
- Appareil portatif sans fil : appareil destiné à l'utilisateur final pour prendre en charge l'installation, la configuration, le contrôle, la surveillance et la maintenance du système.
Figure 1. Architecture du système WirelessHART
Un réseau WirelessHART est formé autour de la passerelle, qui agit généralement à la fois comme gestionnaire de sécurité et comme gestionnaire de réseau. Il initialise le réseau sans fil et ajoute de nouveaux appareils de terrain au fur et à mesure de leur mise en service. En tant que gestionnaire de sécurité, il est responsable de la génération, du stockage et de la gestion des clés de sécurité, ainsi que de la maintenance et du contrôle de la liste d'accès au réseau. En tant que gestionnaire de réseau, il est responsable de l'organisation centralisée des horaires de transmission radio, de la séquence de saut de fréquence et des itinéraires de communication sur l'ensemble du réseau maillé sans fil. Il est également responsable de la gestion de la topologie, de la surveillance de l'état du réseau et de l'adaptation des itinéraires entre les appareils de terrain.
Le réseau sans fil qui en résulte est un réseau maillé redondant, auto-organisé, auto-réparateur et adaptatif, qui peut être géré de manière centralisée par le gestionnaire du réseau. La configuration centrale permet une optimisation pour différents besoins, tels que la robustesse, la latence, le déterminisme ou la durée de vie de la batterie. Par exemple, pour augmenter la robustesse, WirelessHART propose les techniques suivantes :
- Diversité temporelle : le protocole utilise une communication programmée dans le temps et prend en charge la transmission de données redondantes sur plusieurs créneaux horaires pour atténuer les problèmes de communication transitoires.
- Diversité des canaux : le protocole utilise le saut de canal, où les transmissions de données redondantes se font sur des fréquences différentes, ce qui permet de se protéger contre l’évanouissement sélectif des canaux et les interférences RF.
- Diversité des itinéraires : le protocole permet de définir des itinéraires redondants dans le réseau maillé afin d’améliorer la robustesse du réseau en cas de défaillance d’un itinéraire.
Depuis l’introduction du protocole WirelessHART, les industries de transformation ont élaboré plusieurs lignes directrices ainsi que des bonnes pratiques pour le déploiement et l’utilisation du protocole WirelessHART. Par exemple, en ce qui concerne la portée de transmission, les communications à saut unique peuvent atteindre une portée de 30 m en présence d’obstacles, mais une portée beaucoup plus longue est possible en l’absence d’obstacles ou dans le cadre d’une configuration de communication à saut multiple. De même, il est possible d’obtenir une latence inférieure à 100 ms dans le cas d’une topologie en étoile, mais la latence obtenue dépend généralement de la taille et de la topologie du réseau. Enfin, la taille du réseau peut évoluer jusqu’à 80 appareils sans incidence sur les performances, mais peut encore augmenter jusqu’à 250 appareils avec des compromis sur les performances, par exemple en termes de latence, de débit ou de durée de vie de la batterie.
Pile de protocoles WirelessHART
La pile de communication OSI de WirelessHART est présentée dans la figure 2].
| Pile de réseau sans fil (WPAN) | |
| Application/Support d’application | Protocole HART orienté commande, Mode requête/réponse, mode publication, Notifications, transfert de blocs |
| Couche de transport | Transport orienté connexion, Transport sans connexion |
| Couche réseau | Routage graphique à trajets multiples géré de manière centralisée, Routage source, Routage proxy, Sécurité |
| Couche de liaison de données | 802.15.4 MAC personnalisé, avec modifications F/TDMA, TDMA à gestion centralisée, canal synchronisé saut, créneaux partagés (CSMA-CA), sécurité |
| Couche physique |
|
Figure 2. Pile de protocoles WirelessHART
La couche physique de WirelessHART utilise la norme 802.15.4 (2006) avec la restriction d’utiliser seulement 15 canaux pris en charge au niveau mondial, comme le montre la figure 3. Cela simplifie grandement la conception, le processus de certification et le déploiement d’appareils WirelessHART dans différents pays, sans qu’il ne soit nécessaire de modifier la configuration propre à chaque pays. WirelessHART utilise des canaux RF de 2 MHz de large espacés de 5 MHz, avec une puissance de transmission maximale de 10 dBm. Il utilise la modulation OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) et un débit des données de 250 kbps. Enfin, l’utilisation du spectre étalé à séquence directe (DSSS) permet à la norme sans fil d’être résiliente face aux interférences RF et à l’évanouissement des canaux.
Pour obtenir une communication robuste de qualité industrielle dans la bande de fréquence encombrée de 2,4 GHz, WirelessHART utilise les techniques suivantes : La couche MAC de WirelessHART utilise l'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) pour obtenir une communication sans collision et déterministe. Le protocole exploite le spectre étalé à sauts de fréquence (FHSS) pour communiquer sur un canal sans fil différent après chaque créneau horaire et, enfin, le protocole prend en charge l'exclusion des canaux sans fil qui sont fortement encombrés et souffrent de mauvaises performances.
Figure 3. Canaux de fréquence de WirelessHART
Pour obtenir une communication robuste de qualité industrielle dans la bande de fréquence encombrée de 2,4 GHz, WirelessHART utilise les techniques suivantes : La couche MAC de WirelessHART utilise l'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) pour obtenir une communication sans collision et déterministe. Le protocole exploite le spectre étalé à sauts de fréquence (FHSS) pour communiquer sur un canal sans fil différent après chaque créneau horaire et, enfin, le protocole prend en charge l'exclusion des canaux sans fil qui sont fortement encombrés et souffrent de mauvaises performances.
La communication entre les appareils WirelessHART s'effectue par intervalles de temps de 10 ms. Durant chaque intervalle de temps, le dispositif émetteur envoie un paquet de données et attend un accusé de réception du récepteur. Le protocole forme une supertrame en attribuant un nombre configurable d’intervalles de temps, qui se répète périodiquement, comme le montre la figure 4. La supertrame est contrôlée de manière centralisée par le gestionnaire du réseau, qui attribue chaque intervalle de temps à un dispositif d’émission et de réception, ainsi qu’au canal sans fil sur lequel la communication a lieu. Les attributions de créneaux horaires et de canaux qui en résultent sont distribuées aux appareils de terrain pour la programmation radio individuelle. En outre, la norme prend également en charge des fonctions telles que la diffusion de messages et le partage de créneaux horaires entre plusieurs émetteurs sur une base de contention à l’aide de l’accès multiple avec écoute de la porteuse (CSMA).
Figure 4. Couche MAC de WirelessHART
La couche réseau de WirelessHART prend en charge plusieurs mécanismes de routage pour établir un réseau maillé robuste. Deux des mécanismes sont répertoriés ci-dessous :
- Le routage graphique est le principal schéma de routage de WirelessHART, dans lequel les itinéraires du réseau sont déterminés de manière centralisée par le gestionnaire du réseau et distribués aux différents appareils de terrain du réseau maillé. Ce schéma de routage offre une certaine souplesse, notamment en permettant de configurer des itinéraires différents pour la liaison montante, la liaison descendante et la communication de radiodiffusion. En outre, des chemins redondants peuvent également être définis pour favoriser la diversité des chemins.
- Le routage source est un mécanisme de routage supplémentaire à des fins de diagnostic et de configuration du réseau. Dans ce schéma, le périphérique source détermine l'itinéraire du paquet et écrit la liste ordonnée des sauts intermédiaires dans l'en-tête de routage du paquet. Les nœuds intermédiaires relaient le paquet sur la base de ces informations sans nécessiter de configuration a priori.
La couche réseau de WirelessHART en fait un protocole hautement configurable car le gestionnaire de réseau a un contrôle total sur la planification F/TDMA à l'échelle du réseau et sur le routage graphique. Par exemple, le gestionnaire du réseau peut optimiser à la fois le schéma de routage et la couche MAC pour obtenir une faible latence et améliorer la robustesse globale. Lors de l’optimisation de la latence, le gestionnaire du réseau peut limiter le réseau à une topologie en étoile ou donner la priorité aux itinéraires d’intérêt dans le graphe de routage en fonction de la programmation F/TDMA. De même, pour améliorer la robustesse, le gestionnaire du réseau peut permettre à un appareil d’utiliser plusieurs intervalles de temps ou d’ajouter une diversité d’itinéraires pour la même transmission.
La couche de transport de WirelessHART fournit une communication orientée connexion entre l'application hôte et les appareils de terrain à l'aide d'accusés de réception de bout en bout et de demandes de répétition automatique (ARQ). De plus, WirelessHART prend également en charge le transport sans connexion et sans accusé de réception, ce qui convient aux cas où une réduction des frais généraux est préférable.
Bien que la couche application de WirelessHART adopte un type de communication commande-réponse, elle prend également en charge d'autres types, tels que la publication de données unidirectionnelle, les notifications spontanées et le transfert en bloc de données volumineuses. Dans le mode de communication orienté commande, la couche d’application HART assure l’interopérabilité avec les appareils HART existants. Les types de commandes suivants sont utilisés dans la communication :
- Les commandes universelles doivent être prises en charge par tous les appareils HART du système, par exemple pour lire l'état de l'appareil et les variables de processus.
- Les commandes de pratique courante sont facultatives mais fortement recommandées, car elles fournissent des fonctionnalités supplémentaires pour la communication et la configuration des appareils de terrain.
- Les commandes sans fil sont spécifiques à WirelessHART et prennent en charge la formation, la maintenance et la sécurité du réseau, ainsi que d’autres fonctions en arrière-plan.
- Les commandes spécifiques à l'appareil sont utilisées pour prendre en charge des fonctions spécifiques à un appareil de terrain ou pour implémenter des commandes spécifiques au fournisseur.
Sécurité dans WirelessHART
WirelessHART assure la sécurité à plusieurs niveaux de la pile OSI en utilisant le chiffrement AES 128 bits. Dans la couche réseau, chaque message est protégé de bout en bout pour garantir la confidentialité du message, l’authenticité de la source et l’intégrité des données. De plus, une clé commune partagée est utilisée par tous les appareils du réseau pour faciliter la diffusion des messages. Des clés individuelles sont attribuées à chaque appareil lors de la mise en service et sont mises à jour périodiquement pour offrir un niveau de protection encore plus élevé. De plus, le processus de mise en service et la communication avec les appareils portables sans fil sont également sécurisés. Outre la sécurité de la couche réseau, la couche MAC assure également l'intégrité des données entre les sauts de communication successifs dans le réseau maillé.
Mise en œuvre de WirelessHART avec le SoC de Silicon Labs
Silicon Labs propose des SoC sans fil, tels que le EFR32MG24, qui peuvent servir de base à la mise en œuvre d'un produit WirelessHART. Ce SoC spécifique comprend un émetteur-récepteur radio 2,4 GHz compatible 802.15.4, qui présente une sensibilité de -105,4 dBm lorsqu'il fonctionne en mode OQPSK DSSS utilisé par WirelessHART. Les 1 536 ko de flash et 256 ko de RAM de l’EFR32MG24 permettent d’intégrer à la fois la pile sans fil et l’application sur un seul SoC, ce qui permet de réduire le coût de la nomenclature. De plus, le SoC peut fonctionner en modes hôte, coprocesseur réseau (NCP) et coprocesseur radio (RCP) pour prendre en charge différentes architectures. Côté logiciel, Silicon Labs fournit un cadre de programmation propre et facile à utiliser pour la bibliothèque RAIL (Radio Abstraction Interface Layer), qui est l'interface la plus directe vers la personnalisation au niveau matériel des radios EFR32.
Récapitulatif
WirelessHART est une norme industrielle utilisée dans les systèmes d'automatisation, de contrôle et de surveillance des processus. Bien qu’il utilise l’émetteur-récepteur radio 802.15.4, de nombreuses adaptations ont été ajoutées, telles que le spectre étalé en séquence directe, le saut de fréquence, etc. Cela permet au protocole d’atténuer les effets des interférences RF et de l’affaiblissement des canaux, répondant ainsi aux besoins rigoureux des applications industrielles. De plus, en tant que réseau maillé géré de manière centralisée, WirelessHART est capable de prendre en charge des itinéraires redondants entre les nœuds sans fil du réseau, ce qui lui permet de répondre aux exigences de robustesse. Enfin, WirelessHART maintient la compatibilité descendante avec HART câblé, ce qui inclut la prise en charge des appareils, des commandes et des outils logiciels existants. En tant que fournisseur de solutions IoT, les SoC de Silicon Labs, tels que EFR32MG24, disposent des fonctionnalités matérielles et logicielles requises pour implémenter un appareil WirelessHART.
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