工業(yè)無線國際標(biāo)準(zhǔn)介紹，重點(diǎn)剖析ISA-100.11a（一）

霍尼韋爾自動(dòng)化集團(tuán)過程控制部 Soroush Am idi

對于過程制造行業(yè)的觀察者，術(shù)語“無線標(biāo)準(zhǔn)”似乎很矛盾。畢竟標(biāo)準(zhǔn)就意味著“規(guī)范”。雖然少數(shù)工業(yè)無線儀表協(xié)議正在演繹、推進(jìn)，但是某一標(biāo)準(zhǔn)要真正成為用戶認(rèn)可的、首選的標(biāo)準(zhǔn)，仍然有很長的路要走。

目前各供應(yīng)商和標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)持續(xù)推廣自己的產(chǎn)品并作為默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但實(shí)事上，用戶將根據(jù)這些技術(shù)是否能夠真正滿足他們的特殊需求，而選擇工業(yè)無線技術(shù)及其產(chǎn)品。

因此，怎樣才能成為標(biāo)準(zhǔn)呢？標(biāo)準(zhǔn)如何發(fā)揮作用呢？本文將詳細(xì)說明工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)ISA-100.11a，并簡要介紹哪些因素使它成為滿足用戶無線需求的唯一選擇。

對ISA-100.11a工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的剖析

數(shù)年前，500多個(gè)最終用戶和供應(yīng)商共同探討了工業(yè)無線的需求，并最終促進(jìn)ISA-100.11a標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生，獲得了美國能源部的支持。該標(biāo)準(zhǔn)制定工作組希望該工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)能夠達(dá)到甚至在某些方面超出有線系統(tǒng)的性能。此外，他們一致認(rèn)為無線儀表系統(tǒng)必須確保工業(yè)等級的可靠性和安全性，能夠不僅應(yīng)用于非關(guān)鍵的監(jiān)控、報(bào)警、監(jiān)測、管理，以及開環(huán)和閉環(huán)控制等需求。同時(shí)希望工業(yè)無線儀表系統(tǒng)能夠滿足關(guān)鍵監(jiān)控和過程控制等應(yīng)用的性能需求，需要達(dá)到小于100毫秒的時(shí)間通訊延遲。

簡而言之，該工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一系列因素，據(jù)此現(xiàn)場儀表和自動(dòng)化供應(yīng)商生產(chǎn)的產(chǎn)品就能夠滿足各行業(yè)不斷發(fā)展的需求，且隨著無線儀表系統(tǒng)發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)工廠從監(jiān)控場合到更關(guān)鍵控制場合的應(yīng)用。

該工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)所構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括以下重要組件：

網(wǎng)關(guān)：無線網(wǎng)絡(luò)與工廠網(wǎng)絡(luò)或工廠網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用之間的接口。網(wǎng)關(guān)用于該標(biāo)準(zhǔn)與其他通信標(biāo)準(zhǔn)之間的通信轉(zhuǎn)換，充當(dāng)ISA-100.11a與其他協(xié)議（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的轉(zhuǎn)換器。

安全管理平臺：支持授權(quán)設(shè)備，對即將加入工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備進(jìn)行物理授權(quán)；同時(shí)管理每個(gè)設(shè)備的主要安全密鑰并為每個(gè)密鑰制定安全策略。

系統(tǒng)管理平臺：管理包括設(shè)備和通信在內(nèi)的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它根據(jù)策略控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行組態(tài)，監(jiān)控和報(bào)告通信組態(tài)、性能和運(yùn)行狀態(tài)，并提供與時(shí)間相關(guān)的服務(wù)。

無線主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：相互無線通訊，構(gòu)建無線主干網(wǎng)絡(luò)，并支持同現(xiàn)場無線儀表的無線通訊。主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元，支持主干網(wǎng)絡(luò)傳輸本地內(nèi)嵌式的ISA-100.11a協(xié)議。主干網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（尤其是指高速數(shù)據(jù)網(wǎng)），包括工業(yè)以太網(wǎng)、基于IEEE 802.11的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、W i-MAX網(wǎng)絡(luò)，或與互連工廠有線控制網(wǎng)絡(luò)的其他無線網(wǎng)絡(luò)。

無線I/O設(shè)備：安裝在現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入或輸出的現(xiàn)場儀表，很容易加入無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊。無線I/O設(shè)備不配置本身的為其它無線設(shè)備路由的功能。這樣構(gòu)建的無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)非常簡單，并可實(shí)現(xiàn)較低的能耗。

無線路由設(shè)備：這些設(shè)備具有路由功能，可從其他ISA-100.11a I/O設(shè)備接收數(shù)據(jù)，并無線路由到其它ISA-100.11a設(shè)備，從而擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通訊范圍，實(shí)現(xiàn)無線通訊路徑冗余設(shè)計(jì)。無線路由設(shè)備也可是無線I/O設(shè)備，即它能自己采集過程數(shù)據(jù)，并無線傳輸，且同時(shí)可為其他I/O設(shè)備進(jìn)行路由。

便攜式組態(tài)工具：用于組態(tài)、配置ISA-100.11a無線設(shè)備，即物理授權(quán)，將所需的組態(tài)數(shù)據(jù)（包括安全密鑰）輸入無線設(shè)備，以使其可以加入到無線網(wǎng)絡(luò)中。

獨(dú)一無二的特性

除了WirelessHART規(guī)范中的所有的一般技術(shù)特點(diǎn)以外，ISA-100.11a還具有更多獨(dú)一無二的技術(shù)優(yōu)勢，如：

? 無線主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

? 主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口

? Duocast 冗余設(shè)計(jì)

? 共享和專用的時(shí)隙

? 多重DLL子網(wǎng)

? 在線遠(yuǎn)程無線軟件升級和組態(tài)

? 基于IPv6 over Low Power WPAN（6LoWPAN）網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)。

無線主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建無線主干網(wǎng)絡(luò)，充當(dāng)無線現(xiàn)場儀表網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)之間的路由、傳輸功能。ISA-100.11a的無線主干網(wǎng)絡(luò)可以由多個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備相互無線通訊來構(gòu)建。使用多個(gè)主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備構(gòu)建工業(yè)無線主干網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢：

? 通過空間和時(shí)間分集和同步技術(shù)，確保無線通訊網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，避免無線電干擾和障礙物對無線通訊的影響。

? 利用高速無線主干網(wǎng)，減少無線I/O設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的路由“Hop” 次數(shù)，降低數(shù)據(jù)通訊延遲時(shí)間。

? 避免單點(diǎn)故障。通過現(xiàn)場安裝多個(gè)無線主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備構(gòu)建無線主干網(wǎng)絡(luò)，對把ISA-100.11a無線現(xiàn)場儀表應(yīng)用于關(guān)鍵監(jiān)控、管理或控制等應(yīng)用場合非常重要。

主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口

標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，能夠支持用戶通過無線主干網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)提供路由功能。大多數(shù)主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備都遵循互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP），如IEEE 802.11 mesh網(wǎng)絡(luò)或Wi-MAX。最常見的主干網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)包是RFC2529 IPv4內(nèi)部集成的ISA-100.11a IPv6數(shù)據(jù)包。IPv6已經(jīng)成為主流，主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備能夠把ISA-100.11a IPv6數(shù)據(jù)包直接傳輸?shù)絀Pv6網(wǎng)絡(luò)上。

主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口能夠構(gòu)建靈活的無線主干網(wǎng)絡(luò)，支持遠(yuǎn)程監(jiān)控，及工廠范圍內(nèi)使用ISA-100.11a無線現(xiàn)場儀表。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用時(shí)，需要安裝主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備、安全管理平臺、系統(tǒng)管理平臺以及網(wǎng)關(guān)管理平臺。

該架構(gòu)功能強(qiáng)大，支持工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即使在主干網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)到點(diǎn)通訊、變得緩慢或不穩(wěn)定時(shí)，也能夠承擔(dān)無線儀表的數(shù)據(jù)通訊。點(diǎn)到點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)可以基于調(diào)制解調(diào)器，或基于不可預(yù)測的服務(wù)質(zhì)量的共享網(wǎng)絡(luò)，例如衛(wèi)星連接。

在具備高速無線主干網(wǎng)絡(luò)的工廠級布置中，用戶在控制室中安裝網(wǎng)關(guān)、安全和系統(tǒng)管理平臺，而主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備安裝在現(xiàn)場，以覆蓋整個(gè)區(qū)域。

標(biāo)準(zhǔn)接口支持用戶能夠?qū)⒅鞲删W(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備直接連接到高速主干網(wǎng)絡(luò)上，并且無需在路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間安裝其他協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，即可發(fā)送ISA100數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理平臺、安全管理平臺和網(wǎng)關(guān)等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，通常位于控制室環(huán)境中，而不會暴露在戶外環(huán)境中。目前，絕大多數(shù)工廠級應(yīng)用都充分利用了該功能，將主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備連接到高速IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)中。

共享、專用的時(shí)隙

某些無線標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)設(shè)備必須使用專用的通信時(shí)隙。而ISA-100.11a無線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，除采用專用時(shí)隙外，還包括共享時(shí)隙的概念。這些設(shè)備可以根據(jù)各自的需求使用共享的時(shí)隙。

當(dāng)最終用戶更改設(shè)備組態(tài)或資產(chǎn)管理應(yīng)用程序需要獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷時(shí)，共享時(shí)隙就可以滿足這種需求。

共享時(shí)隙能夠使網(wǎng)絡(luò)快速響應(yīng)來自現(xiàn)場設(shè)備的額外需求，并提供與有線網(wǎng)絡(luò)相同的性能。

多重子網(wǎng)

多重子網(wǎng)使ISA-100.11a用戶能夠設(shè)計(jì)各種應(yīng)用范圍和規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如單一、小規(guī)模、獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)（氣井、油井或小型車間中），或工廠級的由數(shù)千個(gè)無線設(shè)備和多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)組成的集成系統(tǒng)。對于加入網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)或設(shè)備的數(shù)量沒有技術(shù)限制。子網(wǎng)是指共享特定數(shù)據(jù)鏈路層組態(tài)的一組設(shè)備，最多可以包含30,000個(gè)設(shè)備（子網(wǎng)尋址空間的限制）。通過多重子網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量可以線性擴(kuò)展。

實(shí)際上，多重子網(wǎng)設(shè)計(jì)可使單個(gè)ISA100系統(tǒng)管理平臺同時(shí)慢速子網(wǎng)（如采樣速度每隔一小時(shí)、不經(jīng)常通訊的設(shè)備，且使用載波偵聽多路訪問的通訊機(jī)制）和更快速的子網(wǎng)（如使用時(shí)分多址TDMA技術(shù)，確保所有設(shè)備都有專用時(shí)隙傳輸各自的測量數(shù)據(jù)）等。

工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常靈活——系統(tǒng)允許用戶向上擴(kuò)展，混合搭配不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且只需單個(gè)系統(tǒng)管理平臺來管理所有無線設(shè)備（ISA-100.11a標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)闡述了其所支持的一系列網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）。

Duocast 冗余設(shè)計(jì)

Duocast冗余設(shè)計(jì)是“確保在工業(yè)環(huán)境中無線變送器發(fā)送的數(shù)據(jù)安全性、完整性和可用性”的關(guān)鍵。Duocast使用兩個(gè)接收器接收并確認(rèn)I/O設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)。其優(yōu)勢包括：數(shù)據(jù)可用性：無線儀表同無線主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備的Duocast冗余通訊設(shè)計(jì)，能夠確保從現(xiàn)場無線儀表到上位主機(jī)系統(tǒng)的完全冗余（冗余服務(wù)器、冗余控制器）；延遲：Duocast提供了更優(yōu)的延遲，特別是當(dāng)路由器擁有更多的子路由器時(shí)，因?yàn)槿绻状蝹鬏斒?，設(shè)備無需等待下一個(gè)預(yù)定的時(shí)隙即可嘗試第二次傳輸；擴(kuò)展性：Duocast在源節(jié)點(diǎn)擁有更多的傳輸路徑，這是一種圖式路由冗余，并具備ISA-100.11a支持的自動(dòng)重新路由功能；電池壽命：對于雙重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的間歇性通訊連接，Duocast能夠保證無線設(shè)備的電池壽命更長。即使接收器也采用電池供電，亦是如此。