Wireless hart conceptos basicos

Emerson
Lider Wireless Region Andina y Caribe
Smart WirelessSmart Wireless::
Conceptos BásicosConceptos Básicos

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Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 2
AgendaAgenda
 Introducción
 Evolución y Estándares
 Conceptos Básicos
 Requerimientos de una red inalambrica industrial

27-Jun-01, Slide 3
La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de Forma
Transparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbrico
Red de Planta
Red de Control
Operaciones
Administración
de Activos
Dispositivos
De Campo
Redes
Autoadminstradas
Comunicaciones
móviles
Operador
Móvil
Seguridad Física
y del Proceso
Seguimiento de
Activos/Personal
Red de Planta Inalámbrica
Red de Campo Inalámbrica

27-Jun-01, Slide 4
11 Aplicaciones Top:
1. Monitoreo de Procesos
Complicados
2. Equipo Rotativo
3. Ambientales
4. Sistemas Auxiliares
5. Estatus de Sistemas de
Seguridad
6. Seguridad de Operadores
7. Activos Móviles
8. Posición Válvula On/Off
9. Arranque Procesos
10.Instalaciones Temporale
11. Alternativa a cableado
Desarrollo de soluciones inalámbricasDesarrollo de soluciones inalámbricas
depende de las necesidades del clientedepende de las necesidades del cliente
8 Aplicaciones Top:
1. Field Data Backhaul
2. Operador Móvil
3. Enlace
4. Video - Securidad
5. Video - Proceso
6. Seguimiento activos
7. Safety Mustering
8. Voz sobre WLAN

27-Jun-01, Slide 5
Las Redes de Planta y Campo tienenLas Redes de Planta y Campo tienen
consideraciones técnicas diferentesconsideraciones técnicas diferentes
Bandwidth: Alto – Múltiples
aplicaciones que deben
compartir la misma
infraestructura inalámbrica
Seguridad / Confiabilidad:
Seguridad Industrial y
coexistencia robusta.
Debe pasar los
requerimentos de TI
Energía: Los dispositivos
puede estar cableados o
recargarse diariamente
Estándares: Definidos por la
comunidad de TI (802.11)
Ancho de Banda: Bajo -
pequeño, high priority
communications
Seguridad/Confiabilidad: No
podemos perder una
“llamada”….debemos co-
existir y desempeñarnos en
ambientes severos,
dinámicos.
Energía: BAJO…muchos
dispositivos, ampliamente
distribuidos en ambientes
severos, baterías deben
durar 5 – 10 años
Estándares: Definidos por la
comunidad de Proceso
(WirelessHART)

27-Jun-01, Slide 6
La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de Forma
Transparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbrico
Red de Planta
Red de Control
Operaciones
Administración
de Activos
Dispositivos
De Campo
Redes
Autoadminstradas
Comunicaciones
móviles
Operador
Móvil
Seguridad Física
y del Proceso
Seguimiento de
Activos/Personal

27-Jun-01, Slide 7
AgendaAgenda
 Introducción

27-Jun-01, Slide 8
IntroducciónIntroducción
(Finales de los 90’s) Surge LAN inalámbrico,
digital
– IEEE 802.11b
– Se desarrolla Spread Spectrum
(1901) Gugliermo Marconi
envía el primer mensaje a
través del Atlántico
II Guerra Mundial - Radio
(1990) Digital wireless mediados de
90’s gracias a la telefonía celular
– TDMA
– GSM
(1985) La FCC asigna la banda
de 902 a 928 MHz para ISM
(Industrial, Scientific and Medical)
(1945) Primer teléfono
móvil (no-celular)
(2004-2006) WPAN
– IEEE 802.15
Transmisiones analógicas
(1960) Noruega es el primer
país con teléfonos celulares 0G
1901 1990 2000
(2003) LAN
– IEEE 802.11g
(2008-2009?)
– IEEE 802.11s

27-Jun-01, Slide 9
Tecnología Inalámbrica aTecnología Inalámbrica a
Distintos NivelesDistintos Niveles
W-WAN: Wireless Wide Area Networks
W-MAN: Wireless Metropolitan Networks
W-LAN: Wireless Local Area Network
W-PAN: Wireless Personal Area Networks Walt Boyes. Cutting the Wires of Communication. Control Global. 2006
Certificados de Conformidad
WiMAX: Worldwide Interoperable for Microwave Access.
Wi-Fi: Wireless Fidelity.
WPA: WiFi Protected Access
En
Planta
Cercano
Global
1Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s Velocidad de Transmisión
ConsumodeEnergía
Costo/Complejidad
Satelital
W-WAN
W-PAN
3G
RFID-2
2G
2.5G
1G
Bluetooth
Zigbee
W-LAN
$$$$
$
802.16
802.15.3
RFID-1
802.15.4
802.11.g
802.11.b
802.11.a
WiMAX
WMAN
802.11a
HiperLAN
WiMedia
UWS
LR-WPAN
WiFi

27-Jun-01, Slide 10
Qué significa eso en mi planta?Qué significa eso en mi planta?

27-Jun-01, Slide 11
ProtocolosProtocolos
Wireless Personal Area Networks - WPANWireless Personal Area Networks - WPAN
IEEE 802.15
 (1998)
 (2003)

27-Jun-01, Slide 12
ProtocolosProtocolos
Wireless Local Area Networks - WLANWireless Local Area Networks - WLAN
IEEE 802.11
 Los dispositivos que satisfacen este estándar, se les
certifica Wi-Fi (Wireless Fidelity)

27-Jun-01, Slide 13
AgendaAgenda
 Introducción

27-Jun-01, Slide 14
AgendaAgenda
 Introducción
– Redes de comunicación
– Topologías
– Transmisión Inalámbrica
– Segmentación según uso

27-Jun-01, Slide 15
 Red (comunicaciones)
– Estructura de comunicación entre dos o más dispositivos,
orientados a compartir información y recursos
– Componentes
• Sistema de información
• Dispositivos (nodos)
• Interfase (Gateway)

27-Jun-01, Slide 16
 Sistema de Información
– Visualiza y almacena la información
– La información la administra de diversas maneras
• Reportes de mantenimiento
• Históricos del proceso
• Generación de alarmas
– Fácil de integrar
Alarmas/
Data Logging
Trending
Monitoreo
Configuración

27-Jun-01, Slide 17
 Gateway
– Es un puente o interfase entre dos medios físicos distintos,
también entre dos protocolos diferentes
• Analógico a Digital
• Bell 202 a RS-232
• Inalámbrico a Sistema cableado
• HART a Modbus

27-Jun-01, Slide 18
 Nodos
– Elementos que componen la estructura de la red de
comunicación
• La comunicación se establece entre los nodos
• Dependen de la estructura definida para la red (topología)

27-Jun-01, Slide 19
TopologíasTopologías
Source: http://www.hartcomm2.org/hart_protocol/wireless_hart/wireless_hart_main.html
Malla Estrella Arbol*
* También Mesh-Estrella

27-Jun-01, Slide 20
Estrella
– Existe un único EnrutadorEnrutador que establece
comunicación con todos los dispositivos finales.
– Cada Nodo FinalNodo Final habla directamente con el
EnrutadorEnrutador
 VentajasVentajas
– Adecuada para redes pequeñas
 DesventajasDesventajas
– Sensible a la interferencia (fijas, móviles e
intermitentes) y obstrucciones
• Importante realizar una evaluación del campo
– Si el Nodo EnrutadorNodo Enrutador sale de servicio, se pierde la
comunicación de todos los demás nodos
– Media-Baja confiabilidad
Nodo Enrutador
Nodo Final

27-Jun-01, Slide 21
Malla (Mesh)
– Algunos (o todos) los Nodos FinalesNodos Finales se pueden
configurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores
– Enlaces redundantes
– Tolerante a fallas
– Alta confiabilidad
– Puede requerir un alto nivel de configuración de los
nodos
Nodo Enrutador
Nodo Final

27-Jun-01, Slide 22
Arbol
– Es una mezcla entre Malla y Estrella
– Algunos de los Nodos FinalesNodos Finales se pueden
configurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores
– Algunos Nodos Finales se comunican
únicamente con algunos Nodos Enrutadores
– Enlaces redundantes (parciales)
– Tolerante a fallas (parcialmente)
– Permite segmentar la planta (por dispositivo,
proceso, variable, etc)
– Puede requerir un alto nivel de configuración de
los nodos
• Persisten algunos problemas de la topología
estrella
Nodo Enrutador
Nodo Final

27-Jun-01, Slide 23
Red Auto-Administrada (Smart Mesh)
– Es una versión mejorada del Malla
– Todos los dispositivos tienen la capacidad de
enrutar la información
– Se auto configura
– No dependen de una pre-configuración
• Detectan en forma inteligente, los vecinos a través
de los cuales puede transmitir
– Aumenta la tolerancia a falla
– Elimina la redundancia innecesaria
– Alta confiabilidad
Nodo Enrutador
Nodo Final

27-Jun-01, Slide 24
Redes InalámbricasRedes Inalámbricas
 Redes Inalámbricas
– Cable entre los dispositivos inexistente
• No requiere cableado para transmitir información ni para
energizar los dispositivos

27-Jun-01, Slide 25
Redes InalámbricasRedes Inalámbricas
 Mismas topologías que
redes cableadas
 Redes parcialmente
inalábricas
– Alimentación
– Comunicación
 Radios y antenas
establecen la
comunicación inalámbrica
Conexión Inalámbrica
Conexión cableada

27-Jun-01, Slide 26
Transmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica
 Medios de transmisión en la Industria:
– Radio Frecuencia
– Microonda (satelital)
Espectro Electromagnético
Frecuencia(Hz)
LongituddeOnda

27-Jun-01, Slide 27
 Frecuencias industriales comunes
– 868 MHz (ISM)
– 900 MHz
– 2.4 GHz
– 5.1 GHz
 En comunicaciones de radio, cada banda de transmisión está compuesta
por canales

27-Jun-01, Slide 28
 Para transmitir ondas de radio, se requiere de
una antena
 Existen varios tipos de antena. Entre las más
comunes se encuentran:
– Parabólica
– Yagi
– Omnidireccional
• Planar (celular)
 Cada una de ellas se caracteriza por
– Patrón de radiación
– Ganancia

27-Jun-01, Slide 29
Omnidireccional
 Ganancia media
 Libertad de ubicación del
Emisor y del receptor
 Ideal para conexión tipo malla
– Lo hace menos susceptible
ante presencia de
obstrucciones en el paso de la
onda
 Menor consumo de energía
Direccional
 Alta ganancia
 Emisor y receptor deben estar
alineados
 Ideal para conexiones Punto-a-
Punto
– Pérdida de señal por
obstrucciones en el paso de la
onda
 Mayor consumo de energía

27-Jun-01, Slide 30
RequerimientosRequerimientos
Según el usoSegún el uso
 Personal
 Residenciales
 Comerciales
 Industriales

27-Jun-01, Slide 31
AgendaAgenda
 Introducción

27-Jun-01, Slide 32
AgendaAgenda
 Introducción
– Seguridad
– Energía
– Estándares Industriales
– Robustez
– Entorno/Coexistencia

27-Jun-01, Slide 33
Requerimientos paraRequerimientos para
Usos IndustrialesUsos Industriales
Fábrica
 Areas bajo techo
 Maquinaria asociada a
– manufactura, ensamble,
empaque y distribución de
productos
 Manejo de materiales:
– traslado de los productos del
área de fabricación a las
zonas de despacho
Proceso
 Normalmente en plantas al aire
libre
 La producción está “oculta” de los
operadores
– En tuberías, equipos especiales
(intercambiadores) y/o tanques
presurizados.
 Los productos son en su mayoría
fluídos.
 Productos corrosivos, venenosos
o inflamables

27-Jun-01, Slide 34
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
SeguridadSeguridad
 Protección del acceso por parte de terceros
– Evitar que se reemplace la fuente de
información
– Evitar que se remplace el destino de la
información
 Protección de la información
– Privacidad de los datos
– Optimización de los recursos
 Técnicas para aumentar la seguridad
– Modulación
– Encriptación
– Autenticación
– Verificación
– Restricción de acceso

27-Jun-01, Slide 35
ConfiabilidadConfiabilidad
 Confiabilidad
– La certeza de que la información llegue al
destino
– Algunas –no todas- de las técnicas para
aumentar la confiabilidad, impactan
positivamente la seguridad
• Modulación
• Sincronización
– Latencia depende de la confiabilidad
Mensajes recibidos por el Gateway
Mensajes enviados por el dispositivo
Confiabilidad =

27-Jun-01, Slide 36
 Confiabilidad depende de:
– Sensor
– Comunicación
inalámbrica
– Integración del Host
– Administración de los
datos
 Un red inalámbrica es tan
confiable como el más
débil de sus componentes
A
B
D
Gateway
Red de Control
Operaciones
85%
65%
40%
C
Confiabilidad
delaRed
>99%

27-Jun-01, Slide 37
Pérdida de señal
 El impacto sobre las comunicaciones, está asociado a
la topología seleccionada
– Fijas
• Zonas muertas
• Infraestructura
– Materiales de construccion.
– Mover el dispositivo unos milímetros
puede ser suficiente
– Móviles
• Fuerte interferencia de otras fuentes RF
• Infraestructura
– Intermitentes
• Lluvia, humedad, neblina
• Otras fuentes RF

27-Jun-01, Slide 39
 Interferencia entre canales
– o CCI es un cruce de señal
entre dos radio-transmisores
diferentes, que utilizan la misma
frecuencia de transmición
– Coexistencia
• La habilidad de dos radio
transmisores de utilizar la misma
frecuencia de transmisión,
compartiendo el mismo canal de
comunicación

27-Jun-01, Slide 40
Causas de CCI
 Potencia de Transmisión
 Comportamiento de la señal con respecto al tiempo
 Comportamiento de la señal con respecto al espacio (frecuencia)

27-Jun-01, Slide 41
 Interferencia móvil
– Cluster Tree
A
B
C
Configuración
A : Gateway
A : B
Configuración
B : Gateway
B : A
Configuración
C : Gateway

27-Jun-01, Slide 42
 Interferencia móvil
– Cluster Tree
A
B
C
Configuración
A : Gateway
A : B
Configuración
B : Gateway
B : A
Configuración
C : Gateway

27-Jun-01, Slide 43
Confiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación
 Saltos rápidos en frecuencia
 Saltos pseudo-aleatorios
 Salta dentro de los canales de
la banda.
 Rechazo a la interferencia
Espectro Ampliado por Salto en Frecuencia
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
 Beneficios de FHSS
– Aumento de confiabilidad
• Detecciones de error
• Retransmisiones si el
mensaje es interrumpido
– Anticipan a la
competencia por demanda
• Y por la interferencia
causadas por otros
dispositivos

27-Jun-01, Slide 44
Confiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación
 Una banda estrecha de la
señal se multiplica por otra
señal pseudo-aleatoria de
ruido (secuencia Barker).
 La señal resultante se dispersa
por toda la banda
Espectro Ensanchado por Secuencia Directa
Direct Sequence Spreads Spectrum (DSSS)
 Beneficios de DSSS
– Redundancia
• Transmisión a través de toda
la banda
• El receptor puede reconstruir
la señal en caso de daños
– Anticipan a la competencia
por demanda
• Y por la interferencia
causadas por otros
dispositivos

27-Jun-01, Slide 45
Confiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización
 Métodos de Acceso del Canal a
través del cual se intercambio la
información
 Permite que varios elementos
hagan uso del mismo canal de
comunicación

27-Jun-01, Slide 46
 Acceso Multiple por Deteccion de Portadora
– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):
• El emisor “escucha” la portadora para verificar si está libre.
• Si está libre, inicia su transmisión
• Propenso a “colisiones”
bla bla bla
ble
ble
ble
Click
normal
Click
colision
!?

27-Jun-01, Slide 47
 Acceso Multiple por Deteccion de Portadora
– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):
• Receptor está fuera de servicio.
• El transmisor envía datos y al no recibir confirmación vuelve a
enviar la información
• Saturación del canal
bla bla bla
Click
Saturacion

27-Jun-01, Slide 48
 Time division multiple access (TDMA):
– Cada uno de los dispositivos sabe cuándo debe transmitir, y
por cuánto tiempo
t
A D
D D DA A A EB C B C B CEE
A:
D:

27-Jun-01, Slide 49
Seguridad-EncriptaciónSeguridad-Encriptación
 Encriptación es el proceso de
transformar un mensaje en un
cipher-texto.
– cipher. Algoritmo matemático
– cipher-texto. Información
 Protege el mensaje del acceso
de terceros (no autorizados) en
la red
– Evita que se pueda interpretar
– Evita que alguien lo manipule
externamente

27-Jun-01, Slide 50
Seguridad-EncriptaciónSeguridad-Encriptación
HOLA
KROD
HOLA
HOLA
CLAVE:
Letra + 3
Encriptación
CLAVE:
Letra - 3
Des-encriptación
128 bits = 2
128 bits = 3.4x10
128
38
Combinaciones

27-Jun-01, Slide 51
Seguridad-AutenticaciónSeguridad-Autenticación
 Busca asegurar que
tanto el emisor como
el receptor, sean
elementos válidos que
pertenecen a la red
 Busca evitar que un
agente externo, tenga
la posibilidad de
modificar o accesar

27-Jun-01, Slide 52
EnergíaEnergía
 La energía es fundamental para que el
sistema sea totalmente inalámbrico
 Algunas aplicaciones presentan
requerimientos de suministro permanente:
– Totalizacion de caudal
– Variables de control
Consumodeenergía
• Cantidad de información
• Distancia de transmisión
• Velocidad de transmisión
• Periodicidad de transmisión

27-Jun-01, Slide 53
EnergíaEnergía
Panel SolarPanel Solar
 Recarga una batería
 Uso muy difundido
Limitaciones
 Interiores de la planta
 Orientación del sol
 Alto costo
BateríaBatería
 Compacto
 Fácil de reemplazar
Limitaciones
 Vida útil limitada
 Químicos que limitan su
desecho/transporte

27-Jun-01, Slide 54
EnergíaEnergía

Smart Wireless
Muchas Gracias!

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