Einführung in das WirelessHART-Protokoll
WirelessHART-Standard
Die WirelessHART-Kommunikationsspezifikation wurde im September 2008 von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) offiziell anerkannt und ist seitdem der internationale IEC-Standard für industrielle drahtlose Kommunikation (IEC 62591). Sie erfüllt die Anforderungen der Prozessindustrie an Zuverlässigkeit, Störfestigkeit und Interferenzresistenz in Echtzeit-Fabrikanwendungen sowie die Anforderungen an Sicherheit, Netzwerkflexibilität und Kompatibilität.
WirelessHART-Netzwerke unterstützen eine Vielzahl von Geräten zahlreicher Hersteller, und die Produkte sollten in 5 verschiedene Produkttypen eingeteilt werden:
Abbildung 1: WirelessHART-Netzwerkgerätetypen
• Feldausrüstung: Basisausrüstung zur Realisierung von Erfassungs- oder Ausführungsfunktionen vor Ort;
• Adapter: Anschluss an vorhandene HART-Feldgeräte zur Aktivierung drahtloser Kommunikationsfunktionen;
• Gateway: Ermöglicht die Kommunikation zwischen Host-Anwendungen und Geräten, die Mitglieder des drahtlosen Netzwerks sind;
• Netzwerkmanager: Verantwortlich für die Netzwerkkonfiguration, die Organisation der Kommunikation zwischen Netzwerkgeräten, die Verwaltung von Routingtabellen sowie die Überwachung und Berichterstattung über den Zustand des drahtlosen Netzwerks;
• Handheld-Geräte: werden zur Konfiguration, Wartung oder Steuerung von Anlagen verwendet.
Protokollschicht
Der WirelessHART-Protokollstapel folgt der OSI-7-Schichten-Architektur. Diese umfasst die physikalische Schicht, die Sicherungsschicht, die Vermittlungsschicht, die Transportschicht und die Anwendungsschicht.
Abbildung 2 Vergleich zwischen dem OSI-7-Schichten-Protokollmodell und der WirelessHART-Protokollstruktur
Physikalische Schicht
Die WirelessHART-Physikschicht basiert auf dem IEEE 802.15.4-2006 2,4-GHz-DSSS-Standard. Sie definiert HF-Eigenschaften wie Signalmuster, Signalstärke und Geräteempfindlichkeit. WirelessHART arbeitet im freien ISM-Frequenzband von 2400 bis 2483,5 MHz und erreicht Datenübertragungsraten von bis zu 250 kbit/s. Dieses Frequenzband ist in 16 Kanäle unterteilt (11–26). Der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Kanälen beträgt 5 MHz.
Datenverbindungsschicht
Ein besonderes Merkmal des WirelessHART-Standards ist die auf Zeitsynchronisation basierende Sicherungsschicht. Der Kommunikationszeitschlitz der WirelessHART-Sicherungsschicht ist exakt auf 10 ms festgelegt, und die TDMA-Technologie wird zur Kollisionsvermeidung und deterministischen Kommunikation eingesetzt.
Netzwerkschicht und Transportschicht
Netzwerkschicht und Transportschicht arbeiten zusammen, um eine sichere und zuverlässige Kommunikation zwischen Netzwerkgeräten zu gewährleisten. Um die Mesh-Netzwerkstruktur zu unterstützen, muss jedes WirelessHART-Gerät Daten an andere Geräte weiterleiten.
Anwendungsschicht
Die Anwendungsschicht bildet die oberste Schicht des WirelessHART-Standards und definiert verschiedene Gerätebefehle, Antworten, Datentypen und Statusberichte. Im WirelessHART-Standard basiert die Kommunikation zwischen Geräten und Gateways auf Befehlen und Antworten. Die Anwendungsschicht ist verantwortlich für das Parsen des Nachrichteninhalts, das Extrahieren der Befehlsnummer, die Ausführung des angegebenen Befehls und die Generierung einer Antwort.
Sicherheitsarchitektur
Das WirelessHART-Netzwerk ist ein sicheres Netzwerksystem. Sowohl die MAC-Schicht als auch die Netzwerkschicht von WirelessHART bieten Sicherheitsdienste. Die MAC-Schicht verwendet eine Kombination aus zyklischer Redundanzprüfung (CRC) und Message Integrity Code (MIC), um die Datenintegrität zwischen den einzelnen Hops zu gewährleisten. Sender und Empfänger verwenden den CCM-Modus und den AES-128-Blockverschlüsselungsalgorithmus, um den MIC zu generieren und zu verifizieren. Die Netzwerkschicht verwendet verschiedene Schlüssel für die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und die Datenintegrität. Das WirelessHART-Sicherheitssystem definiert vier Schlüssel:
• Wenn kein Netzwerkschlüssel vorhanden ist, wird der öffentliche Schlüssel verwendet, um den MIC der MAC-Schicht zu generieren.
• Der Netzwerkschlüssel wird von allen Netzwerkgeräten gemeinsam genutzt und von diesen zur Generierung von MICs auf der MAC-Schicht verwendet.
• Der Netzwerkzugriffsschlüssel ist für jedes Netzwerkgerät eindeutig. Wenn ein Gerät dem Netzwerk beitritt, verwendet der Netzwerkadministrator den Netzwerkzugriffsschlüssel, um das neue Gerät zu authentifizieren, das den Netzwerkzugriff beantragt.
• Sitzungsschlüssel werden vom Netzwerkadministrator erstellt. Jeder Sitzungsschlüssel ist für die End-to-End-Verbindung zwischen zwei Netzwerkgeräten eindeutig und dient der Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und der Gewährleistung der Datenintegrität. Sitzungsschlüssel lassen sich weiter in Unicast-Schlüssel und Broadcast-Schlüssel unterteilen.
WirelessHART-Serienprodukte
Die intelligenten Drahtlosprodukte von Microcyber nutzen die WirelessHART-Technologie, die speziell für die Prozessautomatisierung entwickelt wurde. Sie zeichnen sich durch selbstorganisierendes Netzwerk, Selbstheilung, geringen Stromverbrauch und Datenverschlüsselung aus und gewährleisten so einen zuverlässigen Betrieb sowie eine flexible und schnelle Installation. Mit unseren Drahtlosmodulen, Gateways, Adaptern, Temperaturtransmittern und weiteren Produkten realisieren wir schnell und effizient Datenerfassung, Prozessüberwachung, Anlagenbetrieb, Wartung und Diagnose komplexer Industrieanlagen. Die intelligenten Drahtlosprodukte von Microcyber haben sich zur bevorzugten Lösung für industrielle Drahtloskommunikation bei Endkunden in China entwickelt. Auch international renommierte Unternehmen zählen zu unseren Partnern und setzen unsere Produkte in der Petrochemie, der Energiewirtschaft, der Metallurgie, dem Maschinenbau und weiteren Branchen ein.
Industrieller Internet-Zugangspunkt
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