A WirelessHART vezeték nélküli technológia segítségével jelentős költségmegtakarítást érhet el terepi mérőeszközei telepítésekor, és akár Ex-es környezetben is alkalmazható!
Mi is az a WirelessHART?
Mielőtt erre rátérnénk, tisztázzuk, mi az a HART-protokoll, milyen újdonságai, előnyei vannak a hagyományos analóg (pl. 4—20 mA-es) kommunikációval szemben!
A HART az analóg jelátvitelt egészíti ki, és kétvezetékes 4—20 mA-es jelvezetéken, vagy négyvezetékes rendszerben alkalmazható. Digitális elven működő, de analóg jelű távadók távolsági lekérdezésére, alapértékek, paraméterek távbeállítására és a készülék diagnosztikájára szolgál. Maszter-szlév topológiájú, pont-pont kapcsolatú, az üzenetet egy központi irányítóegység (PC), vagy hordozható kézi kommunikátor indítja, a címzett terepi készülék ezt fogadja, és megválaszolja. Az üzenet 3 bájt ellenőrző információt, 2 bájt címzést, és 23—27 bájt adatmezőt tartalmaz. Az adatátviteli sebesség 1200 bit/másodperc.
Az átvitel elve az analóg jelre szuperponált szinuszjel. A Bell 202 eljárás szerint a „0" bitinformációt 2200 Hz-es frekvenciájú, az „1" bitinformációt 1200 Hz-es frekvenciájú szinuszjel hordozza.
Összességében elmondható, hogy a HART lehetővé teszi a terepi eszközök távoli lekérdezését, paraméterezését, valamint diagnosztikai információkat is szolgáltat a felhasználó számára.
A WirelessHART lényegében vezeték nélkülivé teszi a HART-protokollt, mely kompatibilis a már meglévő HART-eszközökkel.
A WirelessHART előnyei:
• az adatátvitel többféle útvonalon történhet, így az információ nem vész el egy esetleges köztes akadály miatt sem;
• a hálózat kiépítését a Gateway-ben futó szoftver automatikusan elvégzi, a felhasználónak nem kell ezzel külön foglalkoznia;
• idő és pénz spórolható meg a telepítésekor, mert sokkal kisebb a kábelezési költség, az egymástól távol eső helyekre nem kell egyesével kimenni, az adatok egy központi helyen rendelkezésre állnak, és egyszerűen hozzáférhetők.
Az alábbi problémák oldhatóak meg a WirelessHART segítségével.
A vezeték nélküli kommunikációval a technikailag vagy ergonómiailag nehezen hozzáférhető alkalmazások is elérhetővé válnak, mint pl.:
- telepítés mozgó berendezésekre;
- nehezen megközelíthető helyek, pl. tartályok, vasúti sínek, folyók által elzárt területek;
- ideiglenes alkalmazások.
Amire elsősorban használható a WirelessHART:
- fontos, de korábban nem mért folyamatváltozók figyelésére;
- távoli tartályok szintjének figyelésére, ahol a villamos hálózat nem a mérőműszerek igényei szerint kiépített;
- hőmérsékletek tájékoztató mérésére;
- nem kritikus alkalmazások figyelésére, lassú folyamatok vezérlésére, adatgyűjtésre.
Amire nem használható a WirelessHART:
- időkritikus alkalmazásoknál;
- gyors beavatkozást igénylő mérőköröknél;
- biztonsági és vészalkalmazások esetén.
Fontos tényező egy-egy távol eső alkalmazás esetében, hogy a Wireless Adapter akkumulátorának mekkora az élettartama. Ez legfőképp a következő 3 dologtól függ:
- abban az esetben, ha az akkumulátor csak a WirelessHART Adaptert táplálja meg (és a terepi műszert nem), akkor általában több mint 7 évig is üzemelhet;
- ha a műszert is megtáplálja, az élettartam függ a műszer energiaigényétől is, valamint attól, hogy milyen gyakran és meddig van az eszköz bekapcsolt állapotban (és milyen gyakran küld adatokat). Ebben az esetben 3—5 év a tipikus élettartam;
- mindkét felhasználási mód esetében a külső hőmérséklet döntő szerepet játszik. Hidegben a feszültség leeshet, végső esetben az eszköz nem kap elég tápenergiát, meleg idő esetén pedig az önmerülés jelenthet problémát.
A WirelessHART az IEEE 802.15.4 szabványon alapul, azaz a 2,4 GHz frekvenciát használja az adatok továbbítására.
A rendszer a következő elemekből épülhet fel:
- vezeték nélküli, WirelessHART Adapterrel rendelkező terepi eszközök;
- nem vezeték nélküli terepi eszközök WirelessHART Adapterrel felszerelve;
- Gateway, mely engedélyezi a kommunikációt az eszközök és az alkalmazások között.
Működése
A terepi eszközökre WirelessHART Adaptert kell csatlakoztatni.
Vezeték nélküli kommunikációval az adatok az ún. Gateway-be jutnak, ami tárolja azokat.
A Gateway tulajdonképpen interfész-funkciót tölt be az ethernet vagy RS—485 fizikai réteg és a WirelessHART-hálózat között. Egy Gateway kb. 250 eszközzel képes kommunikálni.
Meghatározott időnként kér adatokat a terepi eszközöktől, és továbbítja azokat a rendszer felé.
A hálózat átviteli ideje az az idő, amíg a mérési érték a terepi eszköz kimenetéről a WirelessHART Fieldgate kimenetére jut. Ez sok mindentől, elsősorban a topológiától és a terepi eszközök számától függ, de befolyásolják a rádiófrekvenciás zavarok, felhasználói beállítások stb. Megfelelően konfigurált hálózat esetén ez max. néhány s lehet. Tipikusan: 100 terepi eszköz esetén kb. 10 s, 50 eszköz esetén kb. 5 s.
 SWA70 Endress+Hauser gyártmányú WirelessHART Adapter FMR240 típusú radaros szintmérőre szerelve ésEndress+Hauser gyártmányú SWG70 típusú Fieldgate |
A WirelessHART megbízhatósága
A hálózaton belül az egyes WirelessHART-eszközök képesek felismerni a hozzájuk legközelebb eső szomszédjukat, így minden eszköznek legalább két kommunikációs útvonala van, ez segít az esetleges akadályok kikerülésében. (Akadály lehet pl. egy parkoló autó, egy épület stb.) A hálózat „öngyógyító", azaz mindig a legalkalmasabb útvonalon halad a kommunikáció.
Ezen a szervezeti felépítésen kívül a jelátviteli körülmények szintén befolyásolják a megbízhatóságot.
TDMA: Time Division Multiple Access: az adott sávszélességű és frekvenciájú rádiós jelet időrésekre osztja, és így alakul ki a csatorna. Egyszerre csak egy „sender" küldhet adatot egy „receiver" felé, ezzel elkerülhető az üzenetek felesleges újraküldése.
FHSS: Frequency Hopping Spread Spectrum: frekvenciaugrásos szórt spektrum. A frekvencia váltogatása abból a célból, hogy az üzenet mindig célt érjen, még ha egy adott frekvencia blokkolva is van (pl. WLAN által).
DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum: közvetlen szekvenciális kiterjesztett (szórt) spektrum. Egy adott frekvenciasávon belül szétteríti az adatátvitelt, így más hálózatok számára fehérzajnak tűnik.
CCA: Clear Channel Assessment: szabad csatorna kiválasztása. Adatátvitel előtt ellenőrzi, hogy az adott frekvencia nem foglalt-e.
Feketelista: a nem használt frekvenciák listáját tartalmazza.
Adatvédelem: meghatározott algoritmust használ az üzenetei titkosítására, így véd a lehallgatás ellen. Minden üzenetnek szerkeszt egy azonosítókódot, ami megakadályozza a hamisítást.
Az Endress+Hauser WirelessHART adapterek és gateway-ek sajátsága, hogy más gyártók műszereivel, WirelessHART-eszközeivel is képesek kommunikálni. Minden olyan terepi eszközhöz, amely kommunikál HART-on keresztül, vagy 4—20 mA-es kimenettel rendelkezik, csatlakoztatható
WirelessHART Adapter. A 4—20 mA-es, de HART-kommunikációval nem rendelkező analóg eszközöknek csak a mért értéke kerülhet távadásra.
A WirelessHART-tal elérhető távolság az alábbiak szerint alakul:
- épületen belül max. 50 m;
- épületen kívül max. 250 m.
A WirelessHART-hálózat beépített biztonságának köszönhetően biztosítható a megfelelő kommunikáció. Redundáns hálózati útvonalakkal rendelkezik, és képes arra, hogy önmaga megtalálja a leggyorsabb, legmegfelelőbb kommunikációs útvonalat, így a működés még akkor is biztosított, ha pl. akadályok vagy interferencia zavarja a kommunikáció útját.
Összefoglalás: a WirelessHART remek megoldás távoli pontokon történő folyamatjellemzők mérésére, mozgó berendezésekre szerelve, nehezen megközelíthető helyeken alkalmazva. Nem javasolt időkritikus alkalmazásoknál, szabályozási körök, gyors beavatkozást igénylő folyamatoknál, valamint biztonsági és vészalkalmazások esetében. Nagy előnye, hogy a kábelezésen sok pénz megspórolható, illetve nagy távolságok esetén is megfelelő megbízhatósággal használható.
