Безжичен HART

Навлизането на безжичните комуникационни мрежи в практиката е много повече от нов начин на пренасяне на сигналите. Именно безжичните мрежи дават възможност за гъвкавост на автоматизираните системи на полево ниво. И това съвсем не е маловажно. Защото дори малки промени в технологичната схема на едно производство, обикновено налагат изместване на съществуващите или монтиране на допълнителни полеви прибори. А това често отнема много средства и време. Истинските проблеми идват от необходимостта да се инсталират нови кабели и кабелни трасета, да се прекросират табла, съединителни кутии и клемореди и пр. С безжичните мрежи всички описани проблеми просто отпадат.

Фондацията за HART комуникации официално обяви на 7 септември тази година обнародването на спецификациите на стандарта HART 7 (HART 7 Specification). Посредством този акт се поставя началото на общодостъпен стандарт за безжични комуникации с цел използването му в процесни измервания и контрол. Стандартът HART 7 осигурява много нови възможности за WirelessHART комуникации с интелигентни полеви устройства. Стъпката е логично продължение на действията на членовете на Фондацията HART, които през юни т.г. обявиха, че до няколко месеца предстои официалният дебют на стандарта HART 7.

WirelessHART е специално проектиран за приложения в процесната индустрия, свързани с измервания и управления, и е свободен стандарт за безжични комуникации. Производителите на контролно-измервателни прибори вече могат да внедряват нови функции в техните продукти и технологични решения. Очакванията са тези нововъведения да излязат на пазара още в началото на 2008 година.

Технологията на WirelessHART е насочена специално към специфичните нужди на процесната индустрия от

работеща в реалната среда на едно промишлено предприятие. Според Фондацията HART, технологията е лесна за употреба и внедряване, притежава пълна съвместимост с работещите в момента полеви прибори и управляващи системи. Голямо нейно предимство е, че съхранява направените вече инвестиции за устройства, използващи HART протокол, управляващи системи, спомагателна апаратура, софтуер, обучения и др. По този начин WirelessHART запазва съществуващата база от над 24 милиона HART прибори, работещи по целия свят.

Безжичната HART комуникация се изгражда на базата на установени и доказали се в практиката международни стандарти като HART протокола (IEC 61158), EDDL (IEC 61804-3) и IEEE 802.15.4 - стандарт за безжични мрежови технологии на първо йерархично ниво (бел. ред. разгледан подробно в сп. Инженеринг ревю, бр. 6, септември 2007 г.).

WirelessHART е разработен, благодарение на обединените усилия на компании, които са членове на Фондацията HART и водещи в световен мащаб доставчици на безжични технологии, като ABB, Adaptive Instruments, Crossbow Technology, Dust Networks, ELPRO Technologies, Emerson Process Management, Endress+Hauser, Flowserve, Honeywell, MACTek, MTL, Omnex Control Systems, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, Siemens, Smar, Yamatake и Yokogawa.

Според вида на жичната комуникация, съвременните контролно-измервателни прибори могат да се класифицират в две големи групи. Едната обхваща устройства, които използват аналогови сигнали, а другата - цифрови. Аналоговият сигнал, който се използва преобладаващо, е 4 - 20 mA, много по-рядко 0 - 20 mA, 0-10 V, а някои остарели апаратури работят с 0-5 V, 0-5 mA, 10 -50 mA и др. Предимства от използването на сигнал 4-20 mA са опростеният и унифициран подход за изграждане на измервателните или регулиращите контури, бързото и лесното откриване на неизправности в свързващата линия, която в много случаи може да бъде обикновен, двужилен кабел. Към недостатъците на този тип информационен обмен могат да се посочат еднопосочността и едноканалността на предаваната информация, необходимостта за извеждане на устройството от работа при промяна на обхвата му или на нулевата му точка. Освен това, всеки измервателен прибор трябва да бъде свързан с отделен кабел.

Новият и модерен подход за информационен обмен е свързан с използването на цифрови сигнали. Съществуват множество

осигуряващи обмена с полевите устройства да е двупосочен. Освен това, могат да се предават стойностите на повече от един параметър. Не е необходимо да има отделна линия за всяко устройство. Възможно е устройствата да се групират по няколко на една линия в зависимост от изискванията за надеждност или от ограниченията на комуникационната магистрала. Като недостатъци на този подход могат да се посочат необходимостта от специализирани комуникатори за проверка и настройка, по-трудно отстраняване на проблеми в линията, по-висока квалификация на обслужващия персонал. В повечето случаи при изграждането на свързващите линии следва да се използват специализирани кабели. Трябва да се отчете и фактът, че не всички протоколи са свободни за употреба, за някои трябва да се заплащат лицензи, което оскъпява използваните устройства.

Мястото на HART-работещите устройства е някъде между описаните две групи. Комуникацията, базирана на традиционния HART протокол, съчетава предимствата както на аналоговите, така и на цифровите методи за информационен обмен. Всичко това е довело до широкото разпространение на тази технология. Наименованието й е абревиатура от Highway Addressable Remote Transducer - магистрала за отдалечен, адресируем преобразувател. HART технологията е разработена в началото на 80-те години на миналия век и физическата й същност се състои в

На фигура 1 е показана схемата на класически измервателен контур, работещ със сигнал 4 - 20 mA, съответстващ по определена зависимост на процесната променлива. Трансмитерът “сигнализира” за големината на променливата, променяйки големината на тока, преминаващ през него. Вторичният прибор измерва тока чрез токоснемащия резистор и го преобразува в повечето случаи чрез аналогово-цифров преобразувател (АЦП). Честотата на сигнала е от 0 до 10 Hz.

Схемата на фиг. 2 е почти същата, с добавена HART комуникация. В двата края на измервателния контур са включени две устройства - модем и приемен усилвател. Устройствата, които са добавени в HART контролера, спрямо фиг. 1, могат да се включат паралелно на трансмитера, както е показано на фиг. 2, или паралелно на токоснемащия резистор. От гледна точка на променливотоковата верига, захранващият блок представлява късо съединение и не оказва влияние върху нея. От друга страна, всички добавени компоненти са променливотокови и не засягат постояннотоковия сигнал 4 - 20 mA.

На фиг. 3 е илюстриран резултатният сигнал при традиционната HART комуникация. Модулацията на цифровия сигнал е от вида FSK или Frequency Shift Keying (честотнокодова модулация) с честота 1200 Hz за двоична единица и 2200 Hz за двоична нула. Тези честоти са много по-високи от максималната честота на аналоговия сигнал (10 Hz) и е много лесно разделянето им чрез ниско- и високочестотен филтри (фиг. 4). Показаният по-горе елементарен HART контур има редица преимущества спрямо аналоговия. Трансмитерът може да бъде конфигуриран и настроен, без да бъде извеждан от работното му положение. Също така е възможно да се извърши дистанционна диагностика, откриване на неизправности, да се получават стойности на допълнителни параметри, измервани от трансмитера, и много други.

Стандартът HART 7 се разглежда като съществено подобрение на съществуващия HART протокол, предлагащ много нови характеристики, които увеличават комуникационната функционалност. Може би най-съществената от тези характеристики е възможността за безжичен, информационен обмен, наречена WirelessHART. Технологията, описана в Спецификациите на HART 7, дава път на много нови приложения и поради това има голямо значение, както за индустриалните потребители, така и за членовете на Фондацията HART, производители на автоматизационно оборудване. За описване на WirelessHART са създадени пет изцяло нови спецификации, актуализирани са няколко съществуващи и е издадено Ръководство на потребителя.

WirelessHART представлява

на базата на разпределени мрежи, работеща в 2400 - 2483.5 MHz честотна лента ISM (Industrial, Scientific and Medical - промишлен, научен и медицински; т.е. безлицензен обхват). Скоростта на информационния обмен е 250 kbps. Като използваща свободен честотен обхват, WirelessHART мрежата би била силно зависима от радиосмущения от други мрежи или устройства. За да реши този проблем, 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 съвместим (Direct Sequence Spread Spectrum - пряка последователност на разпространения спектър) радиообмен с междуканален преход на основата на пакет по пакет.

Към характеристиките на ниво PHY (физически слой) се отнася 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. Захранването на един WirelessHART прибор може да се осигури по двупроводна кабелна линия, чрез батерия или със слънчева енергия.

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.

WirelessHART комуникацията

(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. Една връзка може да бъде “посветена”, например, за да бъде обезпечено предаването на данни за процеса с минимално закъснение или когато твърдо се определя честотна лента за високоприоритетен обмен, или “поделена”, за да позволи гъвкаво оползотворяване на честотните канали за комуникация. Периодите от време могат да са до 100 в рамките на 1 секунда, а предаваните за потвърждение пакети задължително включват времеразделна информация за непрекъснато синхронизиране действието на TDMA за цялата мрежа.

Мрежата, базирана на традиционния HART протокол, е от тип “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.

Безжичният HART поддържа стандартен приложен слой (HART Application Layer) и се съсредоточава върху това, което HART прави най-добре - комуникациите с интелигентни полеви устройства.

Спецификациите на стандарта определят три основни елемента на безжичните HART мрежи.

Безжични HART полеви устройства - WFD (WirelessHART Field Devices). Те са пряко свързани с процеса или с оборудването;

Портове - WirelessHART Gateways, осигуряващи връзката между управляващата система и WFD. Портовете поддържат една или повече точки за достъп. Портовете и точките за достъп са абсолютно задължителни за всяка WirelessHART мрежа;

Мрежов мениджър, който 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. Ако една безжична мрежа е резервирана, само един от мрежовите мениджъри е активен, а останалите са в режим на готовност.

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.

На фигура 5 са показани основните елементи на типична WirelessHART инсталация.

WirelessHART мрежата може да бъде с многосвързана, звездообразна или смесена топология - фиг. 6. Звездообразната мрежа е най-елементарната конфигурация и обикновено се използва при малки мрежи. При многосвързаните мрежи всяко от мрежовите устройства може да препредава съобщенията към другите устройства, т.е. притежава и маршрутизиращи функции. По този начин се постига много надеждна конфигурация, тъй като мрежата винаги има резервирани пътища за връзка с всяко от устройствата (фиг. 7) и лесно би могла да се приспособява към промените на радиочестотната среда. Смесената топология е комбинация от другите два типа.

Ключова характеристика на една WirelessHART мрежа е способността й да се самоорганизира. Съществуват три етапа при формиране на нова мрежа - обявяване, присъединяване и комуникационно планиране, наричано още разписание. Формирането на мрежата е действие, което протича при всяка промяна в нейната конфигурация. Ако в една мрежа бъде добавено или съответно изведено полево устройство, тя се формира отново. Затова по отношение на WirelessHART мрежите се говори за свойството им да се самоорганизират, т.е. при промяна тези мрежи автоматично се формират.

Като елемент от обявяването, устройствата, които вече са част от мрежата, могат да изпращат информационни пакети, известяващи за присъствието им в мрежата. Тези обявяващи пакети включват информация за времева синхронизация и уникален мрежов идентификационен номер. Устройствата, опитващи се да се присъединят, следят информационните пакети и се опитват да подберат подходящия за тях мрежов идентификационен номер. Веднъж “чули” номера си в обявяването, се заемат с присъединяване към мрежата.

Едно ново устройство се присъединява към мрежата чрез изпращане на информационен пакет със заявка за присъединяване към мрежовия мениджър, посредством фрагмента на обявяване. Мрежовият мениджър, след като установи автентичността на съобщението, отговаря с активиращ пакет, приемайки новото устройство в конфигурацията. Наред с това той организира и връзките на новия елемент на мрежата с вече съществуващите.

Веднага след присъединяването стартира етапът, в който се извършва комуникационното планиране. Мрежовият мениджър изисква от новото устройство да заяви колко често ще изпраща данни през мрежата. След като получи тази информация, той съставя новото разписание за комуникация и го изпраща на новия елемент и на всички междинни рутери.

Новата мрежа поставя начало на работата си, когато един от портовете, обикновено по искане на мрежовия мениджър, започне да извършва действия по обявяване. Тъй като е първият елемент на мрежата, портът съставя своето разписание, към което по-късно се синхронизират разписанията на останалите устройства.

Най-важните характеристики на стандарта WirelessHART, както вече бе посочено, са съвместимостта му с IEEE STD 802.15.4-2006 PHY и базирането му на общодостъпния промишлен стандарт - HART протокол за полева комуникация. 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 128 битово кодиране с индивидуален мрежов ключ за нивото на данново свързване. Става въпрос за Advanced Encryption Standard или AES - съвременен стандарт за кодиране. Разработен е през 2001 г. като развитие на въведения през 1977 г. от IBM Data Encryption Standard (DES) - стандарт за кодиране на данни. Същността му се състои в разделяне на информацията, която ще се кодира на блокове от по 128 бита. След това чрез специален ключ на кода тези блокове се преобразуват в кодирани, които са също с дължина 128 бита. За да се възстанови първоначалната информация, кодираните блокове трябва да се третират с ключа на кода и резултатът ще бъдат първоначалните блокове - процес на декодиране. Единствено ключът може да възстанови правилно първоначалната информация.

се дължи на самодиагностиката и наличието на 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.

Приоритетът на съобщенията при WirelessHART е разпределен в четири нива. С най-висок приоритет е командата - всеки пакет, съдържащ информационен блок на ниво мрежов мениджмънт. Следващите по приоритет са процесните данни. Третото ниво се нарича нормален приоритет, а последното и с най-нисък приоритет е ниво аларми. Ниско приоритетните съобщения се отказват, когато буферът на дадено устройство е запълнен. Резервирането на пътищата за комуникация (фиг. 7) освен че повишава надеждността, дава възможност за заобикалянето на претоварени трасета.

Както вече бе споменато, безжичният HART има пълна съвместимост със съществуващия, включително инструменти, приложения и технология за системна интеграция. Това обуславя свойството на прибор с WirelessHART открито и безударно да се интегрира към управляващи системи. Друг вид интегриране е поддържането на портове на всички системни нива, например през стандартни HART протоколи за мултиплексиране, PROFINET или PROFIBUS-DP.

Полевите устройства трябва да включват един поддържащ порт, който да позволява връзка със съществуващите HART инструменти. Достъпът до всички инструменти през порта за поддръжка е задължителен.