Безжични комуникации в индустриалната автоматизация

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2011

Стандартите WirelessHART и ISA100.11a

    Осигуряването на безжична комуникация и гъвкавост на автоматизираните системи на полево ниво се базира на изграждането на мрежи със съвременни отворени индустриални стандарти. Сред добилите най-широка популярност са WirelessHART и ISA100.11a, поддържани от две отделни организации и различни производители на полево оборудване. След дългогодишно съперничество, и на фона на нововъзникналия китайски стандарт за безжични сензорни мрежи (WIA-PA), създателите на двете платформи започнаха да полагат усилия за сближаване на технологиите и за постигане на оперативна съвместимост. Стъпка в тази посока направи и Fieldbus фондацията, която съвсем наскоро анонсира постигането на напредък в развитието на своята WIO (Wireless and Remote I/O) технология, част от инициативата за проектиране и изграждане на инфраструктура, предоставяща интерфейс и за WirelessHART, и за ISA100.11a.
Настоящият материал представя функционалните възможности на двата актуални протокола за безжична комуникация в индустриалната автоматизация и техните ключови характеристики.

Стандартът WirelessHART
Появата на WirelessHART е следствие на нуждата от опростена, сигурна и надеждна безжична комуникация в процесната индустрия. Стандартът е специално проектиран за приложения, свързани с мониторинг на полевите устройства. Разработването на спецификациите на протокола от членовете на Фондацията HART и водещи в световен мащаб доставчици на безжични технологии, се извършва на основата на стандарти като HART протокола (IEC 61158), EDDL (IEC 61804-3) и стандарта за безжични комуникации IEEE 802.15.4. Разработен за първи път в края на 1980 г., HART протоколът е актуализиран няколко пъти, като при обновяването му се спазва правилото за съвместимост с предишните версии. Текущата версия на HART протокола е 7.2, която осигурява много нови възможности за WirelessHART комуникациите с интелигентни полеви устройства и дава възможност на производителите на контролно-измервателни прибори да внедряват нови функции в техните продукти и технологични решения.
Технологията на WirelessHART се базира на разпределени мрежи и функционира в 2400 - 2483.5 MHz честотната лента ISM, със скорост на информационния обмен 250 kbps. За избягването на радиосмущения от други мрежи или устройства, WirelessHART "прескача" през 16 честотни канала, дефинирани от IEEE 802.15.4. Тази техника е добила популярност с наименованието FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - честотно превключване в разпределен спектър). FHSS техниката представлява доказал се в практиката метод за ефективно избягване на конфликти в резултат от смесването на честоти. Методът не залага на по-голяма сила на излъчването, а на смяна на канала. Освен това, използването на радиостандарт като IEEE 802.15.4 осигурява DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - последователен в разпределен спектър) съвместим   радиообмен с междуканален преход на основата на пакет по пакет. Към характеристиките на мрежата се отнася и дефинираната номинална мощност на излъчване от 10 dBm, като е възможна промяната и на дискретни стъпки, например 0 dBm и др. Максималната дължина на информационния блок в едно съобщение е 127 байта. При излъчване на номинална мощност, максималната дистанция между две устройства на мрежата е 200 метра.

Архитектура на безжична HART мрежа
Безжичните HART мрежи се състоят от три основни елемента - безжични полеви устройства, портове и мрежов мениджър. Безжичните HART полеви устройства - WFD (WirelessHART Field Devices) са пряко свързани с процеса или с оборудването. Портовете - WirelessHART Gateways, осигуряват връзката между управляващата система и WFD. Портовете поддържат една или повече точки за достъп. Мрежовият мениджър е отговорен за конфигурацията на мрежата, планирането на комуникацията между устройствата, например конфигуриране на суперпакетите, управление на маршрутизиращите таблици, наблюдение и докладване относно изправността на WirelessHART мрежата. Освен изброените устройства, които са основни, една WirelessHART мрежа би могла да включва и някои незадължителни устройства, например рутери, адаптери или ръчни преносими устройства. Предназначението на рутерите е да увеличат обсега на мрежата, като препредават съобщенията на други мрежови устройства. Адаптерите позволяват интегриране на съществуваща апаратура с HART протокол към WirelessHART. Ръчните преносими устройства дават възможност за пряк достъп до близкостоящо устройство с безжичен HART, използвайки вграден приемо-предавател.
Ключова характеристика на WirelessHART мрежата е способността й да се самоорганизира. Ако в една мрежа бъде добавено, или съответно изведено, полево устройство, тя автоматично се формира отново. Също така архитектурата на WirelessHART се отличава с възможности за лесно използване и висока надеждност във времето, с протокол, позволяващ съвместна работа на множество устройства. Спецификациите на WirelessHART определят задължителните изисквания, които оборудването трябва да поддържа с цел осигуряване на съвместимост между безжичните устройства от различни производители, без да се прави компромис с функционалността му. Освен това, изискванията дефинират пълно съответствие с традиционната HART технология като структура на командите и DDL (Device Description Language - код за описване на устройството). Всички HART устройства - например мрежови мениджъри, портове, полеви прибори и др., трябва да поддържат DDL. В съответствие с DDL, всяко устройство трябва да притежава собствен DD (Device Description - описание на устройството). Това е електронен файл, зареден в паметта на всеки прибор с информация за специфичните му характеристики и функции.

Информационен обмен и режими за известяване
WirelessHART комуникацията поддържа технологията TDMA (Time Division Multiple Access - множествен достъп посредством времеделене), чрез която арбитрира и координира информационния обмен между мрежовите устройства. TDMA въвежда в слоя за свързване на данни или DLL (Data Link Layer) дефинирането на връзките като период от време и като честота на излъчване, които трябва да бъдат използвани при комуникацията между устройствата. Тези връзки са организирани в суперпакети (superframes), които периодично се повтарят, за да поддържат едновременно цикличния и нецикличния трафик. Мрежата, базирана на традиционния HART протокол, е от типа "знак-преминаване", за да поддържа както трафика заявка/отговор, така и данните от процеса. С включването на WirelessHART се определят допълнителни PHY (physical layer) и DLL - това са, съответно, IEEE STD 802.15.4-2006 физически и TDMA слой за свързване на данни.
Наред с това, WirelessHART поддържа многобройни режими за известяване, включващи еднопосочно издаване на процесна променлива или на управляващо въздействие, спонтанно известяване при изключване, специализиран режим "заявка/отговор", автоматично разделяне трансфера на блокове, когато има обмен на голям обем информация. Високата сигурност на комуникациите се осигурява чрез използването на AES (Advanced Encryption Standard) 128 битово кодиране с индивидуален мрежов ключ за нивото на данново свързване.
WirelessHART притежава и функции за самодиагностиката, както и резервирани пътища за комуникация. За надеждността спомагат и поддържаните механизми на работа като оценка чистотата на канала, изолиране на вредящи на мрежата устройства, междуканални преходи и др. Основното предназначение на тези механизми е да осигурят съвместимост на мрежата с други ISM устройства.
Важно свойство на WirelessHART мрежите е, че всяко съобщение има точно дефиниран приоритет. Така пренасянето на съобщенията се осигурява с подходящо качество на обслужване QoS (Quality of Service). В мрежовите технологии гаранциите QoS са много важни, когато капацитетът на мрежата е ограничен. QoS може да осигури различен приоритет за различните потребители или потоци от данни, или да определи основното ниво на изпълнение за един поток от данни в съответствие с определени изисквания.

ISA 100 стандарти
Стандартите ISA 100 се отнасят до изграждането на безжични системи в среда, използвана за контрол и автоматизация, като основният им фокус е полевото йерархично ниво. Създадени са по инициатива на комитета ISA 100 като част от ISA (International Society of Automation), в сътрудничество с близо 400 професионалисти от областта на автоматизацията, представители на над 250 компании производители на оборудване, потребители от химическата, нефтопреработвателната индустрия и други.
Пакетът стандарти ISA 100 включва:
ISA 100.11a - стандарти, дефиниращи безжична свързаност, с основен фокус (но не и ограниченост) върху нуждите на приложенията за управление, т. е. всичко от отворен контур с ръчно управление до затворена система за регулиране. Като типични приложения могат да се посочат автоматично управление в процесната индустрия на параметри като температура, разход, ниво и налягане. Други приложения са управление на скоростта на въртящо се оборудване и мобилни оператори, които могат да въздействат дистанционно чрез преносими, безжични устройства.
ISA 100.12 - стандарти, имащи за цел реализацията на мрежова инфраструктура, в която едновременно да могат да оперират ISA 100.11a и безжичен HART, и да се гарантира оперативната съвместимост на полевите устройства.
ISA 100.14 - стандарти, определящи безжична свързаност за специализирано използване и индустриални приложения като мониторинг, събиране на информация и алармиране. Към тях могат да се добавят и управление, което не е критично, параметри на околната среда, управление на активи и други подобни.
ISA 100.21 и ISA 100.22 - това са стандарти, насочени към RFID и управление на складове.
Както се вижда от краткото описание на групите стандарти, ISA 100.11a е пряко свързан с промишлената автоматизация. Специален акцент се поставя върху разработването на устройства с ниска консумация на енергия, работещи съвместно в големи инсталации. Стандартите дефинират изискване безжичната инфраструктура да може да се кооперира със съществуващата и да е съвместима с други безжични устройства.

Стандартът ISA100.11а
ISA100.11а е многофункционален стандарт за индустриални измервания, който осигурява безжичен пренос за множество приложения - от обикновено наблюдение на процесни променливи до управление с обратна връзка. Стандартът дефинира безжична преносна среда за едновременно интегриране на различни протоколи, полеви мрежи и приложения към съществуващи и нови безжични мрежи. Реализацията на ISA100.11а включва стек за безжична комуникация, системно управление, входна точка към контролната система и дефиниции за сигурност, позволяващи надеждна и защитена безжична свързаност със стационарни, преносими и движещи се полеви измервателни устройства.
Стандартът поддържа основни и тунелирани нива на потребителските приложения. Те също са стандартизирани с възможност за прикачване на разширения. Предлагат се множество транспортни услуги, като мрежовото и транспортното ниво са базирани на ТСР или UDP/Iv6. Безжичният пренос е базиран на DSSS технология, като физическото ниво и МАС поднивото са дефинирани в зависимост от изискванията на IЕЕЕ 802.15.4.
Обхватът на ISA100.11a включва: разрешени мрежи (радио пренос, Ethernet и полеви мрежи); архитектура (звездообразна, дървовидна, всеки със всеки, алтернативно рутиране); организация и специфициране на сигурността; точки за връзка към контролната мрежа и маршрутизатори; управляващи системни функции; поддръжка на масови протоколи като FieldBus, ProfiBus, HART и т. н.
Използваните технологии Mapping и Tunneling позволяват в рамките на една универсална безжична инфраструктура да се обслужват всички полеви мрежи и протоколи. Не се налага изграждане на отделни мрежи с отделни изходи и преносна среда в ограничен честотен ресурс, както и наемане на различни специалисти по поддръжката им.
Посредством стандартна ISA100.11a опорна мрежа е възможно свързването на който и да е сензор, към който й да е възел от мрежата. Стандартът позволява използването на ценово атрактивни нерутиращи устройства в безжичната мрежа, за случаите в които е възможна реализация за комуникация директно с рутерите на опорната мрежа. Включените технологии: Radio Agnostic, Subnets, Variable Time Slots и Peer to Peer Communications предоставят широки възможности и устойчива във времето концепция.

Сигурност и надеждност на мрежите
ISA100.11a използва 128 bit AES криптиране. Поддържа се специална функционалност за доказване на автентичността и конфиденциалността на информацията. Специален мениджър по сигурността се грижи за разпределянето и управлението на ключове за достъп до мрежата и между отделните устройства в нея. Данните се криптират на две нива - за данни и на транспортно ниво.
Възможността за създаване на мрежа чрез ретранслиране както на ниво сензори, така и на ниво опорна мрежа, резервираното системно управление и входни точки осигуряват множество алтернативни пътища за данните от полевите измервания към контролните системи. Загубата на който и да е рутиращ възел води до загуба само на текущата измерена стойност, докато системата напълно запазва своята производителност посредством набор от резервни пътища.

Производителност на безжичните измервания
Използването на опорната мрежа за връзка към контролните системи и технологии като TDMA/CSMA позволява постигането на производителност на безжичните измервания, сравнима с тази на кабелните системи, с време за опресняване на показанията от 1 секунда. Част от останалите предимства на стандарта ISA100.11a са: разширяемост до хиляди сензори в обща мрежа, удобство при поддръжка на единствена мрежа за различни приложения, протоколи и измервания, както и отворен, световен, консенсусно базиран процес на разработка и усъвършенстване.
Доброто управление на разхода на енергия, съвместно със стандартизирания интерфейс за приоритетно рутиране през опорната мрежа, осигуряват дълъг живот на батерията на полевото оборудване. Възможността за адаптивно автоматично управление на мощността на предаване съобразно изменението в статуса на ефира, дава възможност за допълнително пестене на батерия при запазване надеждността на измерванията.
Съответствието със стандарта ISA100.11a гарантира възможността една и съща безжична система за индустриални полеви измервания да бъде изградена от устройства на различни производители. Всяко последващо разширение или подмяна на дефектирало оборудване също дава свободата да се избира оптималното към момента пазарно предложение, без изискване да се използват устройства от строго определени производители.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top