Introducción al protocolo WirelessHART

Descripción general de WirelessHART

El Estándar de comunicación WirelessHART fue reconocido oficialmente por el Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en Septiembre de 2008 y publicado como IEC 62591, convirtiéndose así en la primera norma internacional global para las comunicaciones inalámbricas industriales en el sector de la automatización de procesos.

WirelessHART se diseñó específicamente para cumplir con los estrictos requisitos de los entornos industriales, entre los que se incluyen:

• Alta fiabilidad y comunicación determinista

• Gran resistencia a las interferencias electromagnéticas

• Transmisión segura de datos

• Redes flexibles e interoperabilidad entre distintos proveedores

Hoy en día, WirelessHART se utiliza ampliamente en sectores como petroquímica, generación de energía, metalurgia y manufactura, lo que permite una comunicación inalámbrica en el campo segura y escalable.

Tipos de dispositivos de red WirelessHART

Una red WirelessHART es compatible con dispositivos de múltiples fabricantes y se puede clasificar en cinco tipos principales de dispositivos:

1. Dispositivos de campo

Los dispositivos de campo realizan tareas de detección o accionamiento in situ, como los instrumentos de medición de temperatura, presión o caudal.

2. Adaptadores inalámbricos

Los adaptadores se conectan a los dispositivos de campo HART cableados ya existentes, lo que permite la comunicación inalámbrica sin necesidad de sustituir los instrumentos instalados.

3. Pasarelas

Las pasarelas facilitan la comunicación entre las redes de campo WirelessHART y los sistemas host, como los sistemas de control distribuido (DCS), los controladores lógicos programables (PLC) o el software de gestión de activos.

4. Administrador de redes

El administrador de redes es responsable de:

• Configuración de red

• Comunicación sobre la programación

• Gestión de la tabla de enrutamiento

• Supervisión y generación de informes sobre el estado de la red

5. Dispositivos portátiles

Las herramientas portátiles se utilizan para la configuración, el mantenimiento, el diagnóstico y la puesta en marcha de dispositivos WirelessHART en el campo.

Arquitectura del protocolo WirelessHART

El Pila de protocolos WirelessHART sigue el Modelo de referencia de 7 capas de la OSI, con optimizaciones diseñadas específicamente para la comunicación inalámbrica industrial.

Descripción general de las capas de protocolo

• Capa física

• Capa de enlace de datos

• Capa de red

• Capa de transporte

• Capa de aplicación

Este diseño por capas garantiza la interoperabilidad, la escalabilidad y la estabilidad del sistema a largo plazo.

Capa física

La capa física de WirelessHART se basa en IEEE 802.15.4-2006 que opera en el Banda ISM de 2,4 GHz utilizando DSSS (espectro ensanchado por secuencia directa).

Entre sus características principales se incluyen:

• Rango de frecuencias: 2400 – 2483,5 MHz

• Velocidad de transmisión: hasta 250 kbps

• Número de canales: 16 canales (11–26)

• Espaciado entre canales: 5 MHz

El cambio de canal se utiliza para mejorar la fiabilidad y reducir las interferencias de otros sistemas inalámbricos.

Capa de enlace de datos

Una de las características más distintivas de WirelessHART es su capa de enlace de datos sincronizada en el tiempo.

• Arreglado Intervalos de tiempo de 10 ms

• Mecanismo TDMA (acceso múltiple por división de tiempo)

• Programación determinista y prevención de colisiones

Este diseño permite una latencia predecible y una alta fiabilidad, incluso en entornos industriales con gran densidad de equipos.

Capa de red y capa de transporte

Las capas de red y de transporte colaboran para proporcionar comunicación segura, confiable y redundante.

WirelessHART utiliza un red en malla con capacidad de autorreparación, donde:

• Cada dispositivo puede funcionar como un enrutador

• Las rutas de datos se optimizan dinámicamente

• La comunicación continúa aunque falle un nodo

Esta arquitectura mejora considerablemente la solidez y la disponibilidad de la red.

Capa de aplicación

La capa de aplicación define:

• Comandos y respuestas del dispositivo

• Formatos de datos e informes de estado

• Funciones de diagnóstico y configuración

La comunicación entre dispositivos y pasarelas se basa en un modelo de comando-respuesta. La capa de aplicación analiza los mensajes entrantes, ejecuta los comandos y genera las respuestas adecuadas, lo que garantiza una interacción estandarizada entre dispositivos de distintos fabricantes.

Arquitectura de seguridad de WirelessHART

La seguridad es un principio de diseño fundamental de WirelessHART. Tanto el Capa MAC y capa de red implementar mecanismos de seguridad integrales.

Seguridad de la capa MAC

• Comprobación de redundancia cíclica (CRC)

• Código de integridad del mensaje (MIC)

• Cifrado AES-128 en modo CCM

• Protección de la integridad de los datos salto a salto

Seguridad de la capa de red y gestión de claves

WirelessHART define cuatro tipos de llaves de seguridad:

1. Clave pública
   Se utiliza para generar MIC cuando no hay ninguna clave de red disponible.

2. Clave de red
   Compartido por todos los dispositivos para la autenticación y la integridad en la capa MAC.

3. Clave de acceso a la red
   Es único para cada dispositivo y se utiliza durante el proceso de incorporación a la red con fines de autenticación.

4. Claves de sesión
   Generado por el administrador de red para proporcionar cifrado de extremo a extremo e integridad.
   Las claves de sesión incluyen:

   • Claves de sesión de unidifusión

   • Claves de sesión de transmisión

Este modelo de seguridad por capas garantiza tanto la autenticación de los dispositivos como la confidencialidad de los datos.

Gama de productos WirelessHART de Microcyber

Los productos inalámbricos inteligentes de Microcyber se basan en Tecnología WirelessHART y optimizado para aplicaciones de automatización de procesos.

Entre las características principales se incluyen:

• Redes en malla autoorganizadas y con capacidad de autorreparación

• Bajo consumo de energía

• Cifrado robusto y seguridad de nivel industrial

• Rápida puesta en marcha e instalación flexible

Microcyber ofrece una solución completa de WirelessHART, que incluye:

• Módulos de comunicación inalámbrica

• Pasarelas inalámbricas

• Adaptadores inalámbricos

• Transmisores de temperatura inalámbricos

Estos productos permiten una adquisición de datos eficiente, la supervisión de procesos, el diagnóstico de equipos y el mantenimiento en entornos industriales complejos.

Las soluciones WirelessHART de Microcyber se han implantado ampliamente en industrias petroquímica, energética, metalúrgica y manufacturera, prestando servicio tanto a clientes nacionales como internacionales.

Punto de acceso a Internet industrial

Microcyber se dedica a la Investigación y desarrollo, fabricación, ventas e integración de sistemas de productos de IoT industrial.

Entre los principales logros se incluyen:

• Primera empresa china en obtener la certificación internacional de la pila de protocolos de bus de campo

• Tercera empresa del mundo en obtener la certificación internacional de la pila de protocolos de bus de campo

• Primer producto WirelessHART en China en obtener la certificación internacional

• Participante clave en múltiples proyectos nacionales de IoT industrial y automatización

A lo largo de los años, Microcyber ha llevado a cabo importantes iniciativas nacionales en materia de ciencia y tecnología, entre las que se incluyen: Programa 863, proyectos de equipos de fabricación inteligente y programas de investigación en automatización industrial.

Gracias a su sólida experiencia técnica, su amplia trayectoria en proyectos y su equipo profesional de I+D, Microcyber sigue ofreciendo soluciones de comunicación industrial fiables y preparadas para el futuro.