Una comparación de WirelessHART y ZigBee para aplicaciones industriales En este artículo presentamos razones por ZigBee no se considera adecuados para su uso en la mayoría de aplicaciones industriales, que también fue la motivación para el desarrollo de un nuevo estándar de comunicación inalámbrica adaptado a la industrial necesita: WirelessHART. También damos una breve presentación de las características de diseño que hace que WirelessHART más adecuado para aplicaciones y requerimientos r equerimientos industriales. Introducción HART es un protocolo digital para la comunicación de dos vías entre un programa de control e instrumentos de campo inteligentes, proporcionar acceso a los diagnósticos, configuración y datos de proceso [1]. Tradicionalmente, HART especifica un física capa que utiliza modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) superpuesta en la señal de control analógica (4-20 mA). Como en la versión 7, HART también incorpora basado en IEEE 802.15.4 una red inalámbrica de malla como una opción para la capa física. Esto se conoce comúnmente como WirelessHART. En este artículo resumimos impresión de ABB la parte de la norma WirelessHART HART7 través La participación de ABB como miembro del grupo de trabajo en el comité de normalización. ABB también cuenta con una amplia experiencia con ZigBee en el pasado, y nos muestran que los defectos que fueron identificados en ZigBee desde un punto de vista industrial, se han abordado en WirelessHART. 1.1 Requisitos Industriales ABB tiene una larga historia de desarrollo de soluciones inalámbricas para aplicaciones de la industria. Para la automatización de fábrica ABB desarrolló el salto de frecuencia Interfaz inalámbrica para sensores y actuadores tecnología (WISA) de radio que se publicó ya en el año 2001. Para la automatización de procesos ABB ha tomado una más larga, enfoque diferente, tomando parte activa en diversos esfuerzos de normalización. En 2004 y 2005 ZigBee era el zumbido de la industria, pero las pruebas en entornos industriales ABB reveló que tenía algunas deficiencias [2]. La industria exigía una comunicación segura y fiable, pero estática y multi-path desvanecimiento veces bloqueado ZigBee debido a su uso de un canal estático. 1.2 Aplicación Los casos de uso principales para WirelessHART son: 1) el acceso a los datos disponibles en los instrumentos compatibles con HART de diagnóstico, que se instalan en los sistemas heredados que no hablan HART. 2) condiciones y el rendimiento de los equipos de vigilancia crítica, que no es parte del bucle de control debido a los costos de cableado excesivo.
1.3 ¿Por qué las normas de uso? Las principales preocupaciones de la industria de la automatización ha sido la falta de normas adecuadas para cumplir con las exigencias antes mencionadas, así como la interoperabilidad entre diferentes proveedores. ABB, con su vasta experiencia de la tecnología inalámbrica en aplicaciones de la industria ha compartido sus conocimientos en los organismos de normalización como ISA100 (Instrumentos, Sistemas y Automatización Sociedad) y HCF (HART Communication Foundation) con el fin de lograr precisamente eso. 2 Estándares inalámbricos 2.1 WirelessHART WirelessHART está diseñado sobre la base de un conjunto de requisitos fundamentales: debe ser simple (por ejemplo, fácil de usar e implementar), auto-organización y auto-sanación, flexible (por ejemplo, el apoyo a las diferentes aplicaciones), escalable (es decir, en forma tanto a pequeños como plantas grandes), y el apoyo existente tecnología confiable, segura HART (por ejemplo, los comandos de HART, herramientas de configuración, etc). La Figura 1 muestra que la arquitectura de WirelessHART se basa en el diseño de la capa OSI. WirelessHART se basa en la capa PHY especificado en el estándar IEEE 802.15.4-2006 [3] 1, pero especifica nueva de enlace de datos (incluyendo MAC), Red, Transporte, y de aplicación de capas.
Figura 1. HART, WirelessHART, y pilas de protocolo ZigBee Observe que también puede verse que WirelessHART y HART son compatibles en las capas de transporte y aplicación.
2.1.1 Características básicas WirelessHART es una red basada Time Division Multiple Access (TDMA). Todos los dispositivos están sincronizados tiempo y se comunica en longitud fija intervalos de tiempo pre-programados. TDMA minimiza las colisiones y reduce el consumo de energía de los dispositivos. WirelessHART utiliza varios mecanismos para convivir con éxito en la banda ISM de 2,4 GHz compartida: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) permite WirelessHART para saltar a través de los 16 canales definidos en la norma IEEE802.15.4 con el fin de evitar interferencias. Clear Channel Assessment (CCA) es una característica opcional que puede realizarse antes de transmitir un mensaje, el nivel de potencia de transmisión es configurable, y un mecanismo para no permitir el uso de ciertos canales, llamado listas negras, está disponible. Todas estas características también asegura WirelessHART no interfiere con otros sistemas inalámbricos coexistentes que tienen restricciones de tiempo real. Todos los dispositivos WirelessHART deben tener la capacidad de enrutamiento, es decir, no hay dispositivos con funciones reducidas como en Zig-Bee. Dado que todos los dispositivos pueden ser tratados por igual en términos de capacidad de red, instalación, formación y expansión de una red WirelessHART se convierte en simple como la red es auto-organización. WirelessHART forma redes de topología de malla (redes en estrella también son posibles, pero no se recomienda), proporcionando rutas redundantes que permite que los mensajes se enrutan alrededor de los obstáculos físicos, enlaces rotos, y la interferencia. Dos mecanismos diferentes se proporcionan para el enrutamiento de mensajes: Gráfico de enrutamiento y direccionamiento de origen. Gráfico de enrutamiento utiliza rutas predeterminadas para dirigir un mensaje de una fuente a un dispositivo de destino. Para utilizar redundancia de ruta, una ruta gráfico se compone de varios caminos diferentes entre los dispositivos de origen y de destino. Esta es la forma preferida de los mensajes tanto arriba y aguas abajo en una red WirelessHART enrutamiento. El direccionamiento de origen utiliza ad-hoc creado rutas para los mensajes sin proporcionar diversidad de trayectoria. El direccionamiento de origen está, por tanto, sólo se utiliza para diagnósticos de red, no procesar mensajes relacionados.
Figura 2. Los dispositivos WirelessHART y conexión al sistema host. La Figura 2 muestra los diferentes tipos de dispositivos de red que componen una red WirelessHART: La mayoría de los dispositivos en la red aWirelessHART son dispositivos de campo, que se caracterizan por estar conectado al proceso, por ejemplo, sensores y actuadores. Dispositivos router no están conectados con el proceso, es decir, carece de sensor o actuador, en lugar sólo tiene funcionalidad de comunicación. Dispositivos router no están obligados por la norma, pero serán útiles en los casos en que las necesidades de conectividad inalámbrica para mejorar. Dispositivos adaptador conecta dispositivos HART cableados a la red WirelessHART, por ejemplo, el legado HART o dispositivos que no son inalámbricas. Un dispositivo adaptador puede proporcionar acceso de red inalámbrica para más de un dispositivo cableado tal como se muestra en la Figura 2. Los dispositivos portátiles se utilizan para la instalación, configuración, monitoreo y mantenimiento de todo tipo de dispositivos WirelessHART. Un dispositivo de mano puede ser: 1) conectado a la red de automatización planta a través de otra red inalámbrica (por ejemplo, WLAN, Bluetooth, etc.) y hablar con los dispositivos WirelessHART a través de la automatización de la planta huésped, 2) conectado directamente a la red WirelessHART como WirelessHART dispositivo como se muestra en la Figura 2. el dispositivo de pasarela conecta la red WirelessHART al sistema de automatización de la
planta (host). Proporciona el sistema host con el acceso a los dispositivos WirelessHART red y, si es necesario, traducir entre diferentes protocolos. El Gestor de la Red es el "cerebro" de la responsabilidad centralizada la WirelessHART Network.Its es gestionar todo lo relacionado con la red inalámbrica, por ejemplo, la formación de la red, recursos de programación, configuración y reconfiguración ruta de red, etc. Sólo un administrador de red activa puede existir por red WirelessHART, con la posibilidad de tener un gestor de copia de seguridad para hacerse cargo de si la activa falla. 2.1.2 Seguridad La seguridad es obligatorio en WirelessHART; no hay ninguna opción para apagarlo completamente. WirelessHART ofrece de extremo a extremo y las medidas de seguridad-hop-hop a través de la encriptación de carga útil y de autenticación de mensajes en las capas de enlace de datos de red e. Sin embargo, las medidas de seguridad son transparentes a la capa de aplicación. WirelessHART utiliza CCM * Modo 2 en relación con AES-128 bloques de cifrado utilizando claves simétricas, para la autenticación y el cifrado de mensajes. Un conjunto de diferentes claves de seguridad se utilizan para proteger las comunicaciones: Un nuevo dispositivo está aprovisionado con una clave Únete antes de intentar unirse a la red inalámbrica. La clave Únase se utiliza para autenticar el dispositivo para una red WirelessHART específico. Una vez que el dispositivo se ha conectado con éxito a la red, el gestor de la red proporcionará con la sesión y red llaves apropiadas para la comunicación adicional. La generación y gestión de claves actual está a cargo de un administrador de seguridad "plantar amplia", que no se especifica en WirelessHART, pero las claves se distribuyen a los dispositivos de red por el administrador de red. Una clave de sesión es utilizado por la capa de red para autenticar la comunicación de extremo a extremo entre dos dispositivos (por ejemplo, un dispositivo de campo y la puerta de enlace). Diferentes claves de sesión se utilizan para cada comunicación por pares (por ejemplo, Campo dispositivo Gateway, dispositivo de campo al administrador de red, etc). La capa de enlace de datos utiliza una clave de red para autenticar los mensajes en una base de uno-hop. Una clave de red conocida se utiliza cuando un dispositivo intenta conectarse a la red, es decir, antes de que se ha recibido una clave de red adecuada. Rotación de las claves sobre la base de los procedimientos de seguridad de la planta de la automatización de procesos. 2.2.2 Seguridad En la versión 2006 de la especificación, la seguridad no es obligatoria. Sin embargo, el soporte para la autenticación, integridad y cifrado tanto para la capa de red y la aplicación está presente. Seguridad de la capa MAC disponibles a través 802.15.4 no se aborda explícitamente en el estándar ZigBee, y su uso podría romper la interoperabilidad entre los productos de diferentes proveedores. Ataques de reproducción están protegidos contra el
uso de numeración secuencial. ZigBee hace uso de los mecanismos de seguridad en 802.15.4; Contador con CBC-MAC4 (CCM) con cifrado AES-128, pero con la opción de emplear sólo encriptación o sólo la integridad. Hay tres tipos principales son utilizados: llave maestra, clave Link y clave de red. La clave principal es comparable a la clave de combinación en WirelessHART y es necesaria para unirse a la red. La clave de enlace se utiliza para el cifrado de extremo a extremo y sería por que proporcionar el más alto nivel de seguridad a costa de los requisitos de almacenamiento mayores. La clave de red se comparte entre todos los dispositivos, y por lo tanto presenta un menor nivel de seguridad, aunque con el beneficio de la reducción de los requisitos de almacenamiento en los dispositivos. Todas las teclas se pueden configurar en la fábrica, o se entregarán a partir del centro de confianza (que reside en el coordinador de la red), ya sea a través del aire, oa través de una interfaz física. Para la aplicación de calidad comercial, el centro de confianza puede controlar la incorporación de nuevos dispositivos y actualizar periódicamente la clave de red. comparación Aunque ZigBee ha tenido muy éxito en el mercado limitado hasta ahora, comparándolo con WirelessHART es interesante ya que el primero es bien conocido en la academia y la industria. Al discutir las debilidades que ZigBee han sido criticadas por parte de la industria, podemos analizar la probabilidad de WirelessHART de éxito mirando cómo aborda la crítica de ZigBee. 3.1 ZigBee Desde algún problema con el equipo se traduce en la pérdida económica para un usuario industrial, la fiabilidad es una preocupación primordial para estos usuarios. Por lo tanto, parámetros como la robustez de la red, la entrega de mensajes fiable, la autenticación y la integridad son todos importantes para el uso industrial. Además, la amenaza de espionaje industrial avanza el requisito de cifrado para ocultar información que puede revelar nada acerca de la producción de la planta a los competidores. Uno de los argumentos más fuertes en contra de ZigBee ha sido la falta de solidez de grado industrial. En primer lugar, no hay diversidad de frecuencia ya que toda la red comparte el mismo canal estático, por lo que es altamente susceptible tanto no intencionada y destinados interferencia. Esto también significa que el desvanecimiento selectivo de frecuencia severa debido a los entornos de propagación ricos en metales en plantas potencialmente puede parar toda la comunicación ZigBee. Por otra parte, el canal estático también aumentará la interferencia de otros sistemas como LAN wireless-, y aumentar el retraso como el tamaño de la red crece y colisiones fuerzas retransmisiones. En segundo lugar, no existe una diversidad de trayectoria lo que significa que se rompe en caso de un enlace, una nueva ruta desde el origen al destino debe estar configurado. Esto aumenta tanto la demora y los gastos generales, y ruta-
descubrimiento eventualmente consumir todo el ancho de banda disponible en entornos con rutas inestables. Además, la falta de robustez también significa que ZigBee es menos adecuado para aplicaciones de control. Funcionamiento de la batería para routers con muchos pares no es realista, ya que las fuerzas CSMA / CA para mantener su receptor en una gran parte de la trama. Seguridad en ZigBee puede en gran medida ser configurado para cumplir los requisitos de los usuarios industriales, aunque se debe tener cuidado de usar equipo de vendedores que soportan los mecanismos de seguridad necesarios. 3.2 WirelessHART WirelessHART aborda algunas de las principales preocupaciones planteadas por la industria hacia ZigBee. Está diseñado desde el principio para ser un protocolo de comunicaciones robusta y segura; aplicando de esta forma muchas características con el fin de lograrlo. Salto de frecuencia y retransmisiones limita los efectos de la interferencia y la frecuencia temporal (una retransmisión se producirá en una frecuencia diferente). Esto también limita la interferencia WirelessHART provoca en otras redes. La malla de redes con encaminamiento gráfico proporciona redundancia de rutas y propiedades de auto-sanación que reduce el efecto de enlaces rotos. La robustez de WirelessHART abre la posibilidad para el control inalámbrico, por lo menos para los procesos lentos y no críticos. El uso de TDMA y los intervalos de tiempo pre-programado evita colisiones de mensajes y permite que los dispositivos para aumentar sus ahorros de energía ya que el dispositivo sólo tiene que mantener la radio durante los intervalos de tiempo requeridos. El costo de TDMA es que se requiere de tiempo de sincronización; pero, en WirelessHART la información de tiempo no requiere tráfico de red adicional, ya que está incrustado en el tráfico relacionado proceso de automatización. WirelessHART es un protocolo seguro y proporciona varias capas de protección. Todo el tráfico está garantizado; la carga útil está cif rada y todos los mensajes se autentican, tanto sobre una base de un solo salto, así como de extremo a extremo. WirelessHART requiere que todos los dispositivos se aprovisionan con una clave secreta, así como una identificación de l a red Únete a fin de unirse a la red. Resumen
En este artículo presentamos WirelessHART, un estándar de red inalámbrica industrial recientemente lanzado, y la comparamos con ZigBee en áreas que son interesantes para aplicaciones industriales. La comparación muestra que WirelessHART aborda muchas de las debilidades que ZigBee ha sido criticado por, y por lo tanto tiene el potencial de éxito en aplicaciones industriales. La norma WirelessHART especifica la pila de comunicación, así como las interfaces y responsabilidades de los distintos dispositivos que comprenden una red WirelessHART. Sin embargo, no especifica cómo deben llevarse a cabo estas responsabilidades, que ofrece muchas oportunidades para crear soluciones mejoradas y optimizadas. El Gestor de la Red es un ejemplo de un dispositivo de este tipo, su responsabilidad es gestionar todos los aspectos
relacionados con la red inalámbrica, pero la forma en que debe hacerlo es una cuestión abierta.
Tabla 1. Descripción general de comparación
