Resumen wireless hart

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¿Qué se entiende por el término “Wireless”? Wireless en castellano significa “Inalámbrico” y se refiere a la tecnología donde se utilizan ondas de radio, microondas o similares para transmitir señales o conectar dispositivos. ¿Qué es WirelessHART? Es un protocolo de red de malla, auto-organizable y auto-reparable. Es inalámbrico, y se usa para la automatización de procesos y control basado en la IEEE 802.15.4 a baja potencia en la banda 2.4Ghz Esta es una variante del protocolo HART, pero con capacidades inalámbricas, manteniendo siempre la compatibilidad con HART. Evolución de HART.

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Resumen básico de WirelessHART INACAP CONCEPCIÓN-TALCAHUANO

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Page 1: Resumen wireless hart

¿Qué se entiende por el término “Wireless”?

Wireless en castellano significa “Inalámbrico” y se refiere a la tecnología donde se utilizan

ondas de radio, microondas o similares para transmitir señales o conectar dispositivos.

¿Qué es WirelessHART?

Es un protocolo de red de malla, auto-organizable y auto-reparable. Es inalámbrico, y se

usa para la automatización de procesos y control basado en la IEEE 802.15.4 a baja

potencia en la banda 2.4Ghz

Esta es una variante del protocolo HART, pero con capacidades inalámbricas,

manteniendo siempre la compatibilidad con HART.

Evolución de HART.

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Resumen de las características de todas las versiones de HART.

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Resumen de las características de HART 7 (WirelessHART).

-Redes auto-organizables y auto-reparables: Hablamos de redes que tienen la capacidad de encontrar el mejor camino para enviar y recibir los datos y en caso de algún problema busquen otro camino para transmitir los datos.

-Time Synchronized Mesh Protocol (TSMP): Proporciona los intervalos de tiempo para la

sincronización de la transmisión sobre la red, en simples palabras sólo se transmitirá

información cuando sea necesario con el fin de preservar la vida de la batería y reducir la

interferencia.

-Report by Exception – Time- and Condition-based Alerts: Sólo si cambia

significativamente el valor de la PV o hay un evento importante, el tiempo de

actualización del sistema aumentará. O sea hablamos de reportes inteligentes, con el fin

de ahorrar energía.

-Time Stamp: Cada instrumento contiene un reloj sincronizado que le permite transmitir

datos en el momento correcto. Este reloj también se utiliza para mostrar la fecha y hora

en que se produce un evento.

-Process Variable (PV) Trending: Toma los valores de los instrumentos de campo y los envía a las estaciones de operación para mostrar gráficos de tendencias de la variable de proceso.

-Wireless Diagnostics: Hace un seguimiento de la red inalámbrica para garantizar la salud y estado de seguridad de la red.

-Wireless Security (Seguridad de la red): Múltiples métodos de seguridad para proteger

los datos que circulan por la red.

-Loop Test: Testeo remoto del lazo de 4 – 20mA

-HART Compatibility: Ofrece compatibilidad con todos los instrumentos HART, agregándoles un adaptador Wireless.

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¿Qué es una red de malla?

Es un hibrido de las topologías AD-HOC e Infraestructura.

Básicamente es una red de topología infraestructura, pero que permite unirse a otros

dispositivos que están fuera de la cobertura del Gateway gracias a los otros dispositivos

que componen la red.

Otros tipos de redes que se pueden confeccionar para WirelessHART.

Red mallada.

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Normas, protocolos y estándares de HART inalámbrico.

WirelessHART es un estándar de comunicación inalámbrica que opera actualmente en la banda de radio ISM de 2.4GHz (banda de frecuencia de licencia libre), usando radios del estándar IEEE 802.15.4.

Para evitar las interferencias, WirelessHART también incorpora saltos de canal (Frequency Hopping) de acuerdo a las normas y estándares de la industria, como la IEEE 802.15.4 y DSSS (espectro ensanchado por secuencia directa). Esto permite una operación confiable, incluso si hay presencia de otras redes en la banda de los 2.4 GHz. Asimismo, posee robustos mecanismos de seguridad, como encriptación AES 1128, gestión de código, y autentificación, de modo que los datos y la red están protegidos todo el tiempo.

-Banda de radio ISM de 2.4GHz: Es una banda de radio frecuencia ISM (Industrial, científico y médico) que no necesita licencia para operar en ninguna parte del mundo. Va desde los 2.4 a 2.5GHz con 15 canales disponibles. El canal 1 corresponde a los 2.405GHz y en canal 15 a los 2.575GHz. -Estándar IEEE 802.15.4: Estándar desarrollado por Zig-Bee y el grupo 15 de la IEEE 802 para redes inalámbricas, el cual nace por la necesidad industrial y domestica de ahorrar energía con dispositivos de baja potencia y obtener redes auto-organizadas y auto-reparables. La capa MAC del estándar controla el acceso al canal radio y es la responsable de validar y entregar tramas, hacer de interfaz de red, sincronización de red, asociación de dispositivos y servicios seguros. -FHSS (Saltos de frecuencia): Consiste en dividir los datos y enviarlos a distintas

frecuencias durante un intervalo de tiempo llamada (dwell time). Los datos se transmiten

saltando de una frecuencia a otra, en un orden determinado que han de conocer la

emisora y el receptor.

-DSSS (espectro ensanchado por secuencia directa): Los datos se mezclan con señales de ruido y se envían por paquetes a distintas frecuencias de manera secuencial. Sólo el receptor puede decodificar la señal y obtener los datos.

-Channel hopping (Salto de canal): Los dispositivos WirelessHART utilizan 15 canales dentro del espectro de 2,4 GHz. El uso pseudo-aleatorio de los canales asegura que la interferencia en uno o varios canales no impida la comunicación.

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Elementos de una red Wireless HART

Para la implementación de una red, se especifican estos elementos principales:

-Dispositivos de Campo: Dispositivos de campo con tecnología WirelessHART nativa que permiten enviar información, tanto de la variable primaria como de otras (diagnóstico, configuración, etc.) de manera inalámbrica hacia diferentes Hosts.

-Gateway: Habilitan la comunicación entre el dispositivo donde reside la aplicación (Maestro) y los dispositivos de campo. Un Gateway y sus puntos de acceso, deben ser incluidos en cada red. Este dispositivo funciona como interfaz entre la capa de aplicación y los dispositivos de campo.

-Access Point: De una manera sencilla, puede entenderse como el radio WirelessHART instalado en el Gateway. -Host: Computadora que posee la aplicación en la cual será usada la información proveniente de la red inalámbrica. Esta aplicación puede ser relacionada al mantenimiento de los dispositivos (como un sistema de gestión de activos) o puede ser cualquier tipo de aplicación de control o supervisión.

-Administrador de red: responsable de la configuración, calendarización de la comunicación entre los dispositivos, administración de la tablas de rutas, así como monitoreo y reporte de la salud de la red. Mientras se pueda soportar con administradores redundantes, debe haber únicamente un Administrador de Red activo por cada red existente.

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¿Qué debemos saber de WirelessHART?

El número de instrumentos conectados a la red, sólo dependerá del número de Gateways

que utilicemos. En muchos casos el máximo de dispositivos que pueda enrutar un

Gateway es de 100 dispositivos.

Hay que tener en cuenta futuras modificaciones (ampliar la planta), es por eso que se

debe tener un margen de alrededor del 40% de espacio libre en el Gateway.

Para calcular el número de “puertas de enlace” a utilizar, tenemos la siguiente fórmula:

-La velocidad máxima que se puede transmitir en la red es de 250Kbit/s, en paquetes de

datos de 133Bytes.

Nota: 128bits, corresponden a datos útiles (PV, información de instrumentos, etc.).

-La confiabilidad de la red que asegura WirelessHART, es superior al 99%:

Pero se debe tener en cuenta algo muy importante:

- El 25% de los instrumentos inalámbricos en la red debe estar dentro del rango del

Gateway inalámbrico por la naturaleza dinámica del ambiente donde se encuentra

el proceso.

Para la puesta en marcha de la red, ese valor puede ser hasta de un 10% como

tope.

Los dispositivos pueden ser alimentados:

-Baterías: Suelen utilizarse en lugares de difícil acceso, donde no se puede cablear o en lugares altamente explosivos. A medida que pierden vida útil, disminuye la potencia de transmisión. - Alimentación a través del lazo 4-20mA (algunos dispositivos). - Panel solar. - Externa con 24Vdc.

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Distancias entre dispositivos y equipos.

Las siguientes reglas de diseño se pretende que sean muy conservadoras. El alcance

efectivo de un dispositivo es la distancia lineal entre los dispositivos de campo

WirelessHART.

Por lo general, si los dispositivos WirelessHART no tienen obstáculos entre ellos, tienen

una línea de visión clara, y están montados al menos 2 metros por encima del suelo,

entonces el rango efectivo de [10mW / 10dB] de potencia es de aproximadamente

228Mts. Las obstrucciones disminuyen el alcance efectivo. La mayoría de los entornos de

proceso tienen altas concentraciones de metal que hacen que reboten las señales de RF y

lleguen muy débiles al otro punto.

A continuación se presentan tres clasificaciones básicas de alcance efectivo en el entorno

del proceso:

-Fuerte obstrucción [30Mts]: Este es el ambiente típico de plantas de densidad

pesada.

-Mediana obstrucción [76Mts]: Se trata de las áreas de proceso ligeras, mucho

espacio entre los equipos.

-Ligera obstrucción [152 m]: Típico de bases petroleras. A pesar de tener grandes

estanques, hay un montón de espacio entre las obstrucciones.

-Libre de obstrucción [228 m]: La antena para el dispositivo está montado por

encima de las obstrucciones y el ángulo terreno no varía más allá de 5 grados.

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¿Cuál es la propuesta de WirelessHART? ¿Cuáles son sus beneficios?

La propuesta de WirelessHART es inmensa para quien tenga en mente implementar una

red WirelessHART, ésta asegura simplicidad, fiabilidad y seguridad, con resultados

notorios en la disminución de costos y tiempos, gran flexibilidad, compatibilidad, etc.

Dentro de sus principales beneficios podemos encontrar:

>La puesta en marcha rápida de los equipos, al igual que la solución de problemas.

>Acceso remoto a toda la información de los dispositivos y diagnósticos de estos.

>Agilizar los procedimientos de mantenimiento.

>Permite el mantenimiento predictivo.

>Aumenta la disponibilidad de la planta.

>Acceso de bajo costo a la información del proceso.

>Amplia selección de dispositivos de campo.

>Auto-configuración de auto-reparación de la red de malla Smart.

>Reducción de la mano de obra, el cableado y materiales.

>Fácil de extender la red a zonas remotas.

>Reducción del tiempo de ingeniería y proyecto.

>Funciona con dispositivos HART existentes y nuevos.

>Utiliza las herramientas y los conocimientos existentes.

>Instalación de nuevos dispositivos a futuro.

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Arquitectura OSI WirelessHART.

La arquitectura del protocolo WirelessHART comprende cinco capas: -Física. -Enlace. -Red. -Transporte. -Aplicación.

La capa física de WirelessHART se basa principalmente en la IEEE STD 802.15.4-2006 a 2.4GHz. Esta capa define las características de radio, tales como el método de transmisión, la fuerza de la señal y la sensibilidad del dispositivo. Así como la IEEE 802.15.4, WirelessHART opera en las frecuencias 2.405 – 2.4835GHz de la banda ISM, con una velocidad de datos de hasta 250Kbits y una potencia de hasta 10dB. La capa de enlace se encarga de la sincronización de las transmisiones, tiempos de

transmisión, organización de la red. Aquí encontramos todos los protocolos de

transmisión: TSMP, FHSS, DSSS, CHANNEL HOPPING.

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La capa de red y capa de transporte cooperan para proporcionar comunicación segura y

fiable de extremo a extremo para la red.

Para apoyar la tecnología de comunicación de malla, cada dispositivo WirelessHART se

requiere ser capaz de reenviar paquetes en nombre de otros dispositivos. Hay dos

protocolos de enrutamiento definidos en WirelessHART:

-Graph Routing: Son los múltiples caminos que pueden tomar los dispositivos para enviar

los datos a través de la red. Estos caminos los configura el diseñador de la red, con el

propósito de que si un dispositivo falla, su vecino tenga otro camino para enviar la

información.

-Source Routing: Es un complemento del “enrutamiento gráfico” con el objetivo de

diagnosticar la red. Para enviar un paquete a su destino, el dispositivo fuente incluye en la

cabecera una lista ordenada de los dispositivos por los cuales el paquete debe viajar.

La capa de aplicación es la capa superior en WirelessHART, define varios comandos del

dispositivo, respuestas, tipos de datos y los informes de estado. En WirelessHART, la

comunicación entre los dispositivos y la puerta de enlace se basa en comandos y

respuestas.

La capa de aplicación es responsable para analizar el contenido del mensaje, extraer el

número de comando, ejecutar el comando especificado y generar respuestas.

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Aplicaciones. Esta tecnología es muy recomendable en aplicaciones de Monitoreo de Condiciones, Optimización de Procesos y Monitoreo de Estanques/Control de Inventario. -Monitoreo de Condiciones: Se instalan dispositivos Wireless en puntos críticos de la planta, que no están conectados al sistema de control debido a problemas de accesibilidad o alto costo de cableado. Gracias al diagnóstico en línea, se mejora la confiabilidad y seguridad.

-Optimización de Procesos: La conexión temporal del adaptador WirelessHART permite monitorear y optimizar secciones de la planta a un costo mínimo. -Monitoreo de Estanques/Control de Inventario: Un software de visualización puede recolectar los valores medidos a intervalos regulares y transmite la información junto con el estándar del dispositivo y su batería, hasta los niveles superiores de control y gestión de la planta.

Ejemplos de aplicaciones.

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