工業無線國際標準介紹，重點剖析ISA-100.11a（一）

霍尼韋爾自動化集團過程控制部 Soroush Am idi

對于過程制造行業的觀察者，術語“無線標準”似乎很矛盾。畢竟標準就意味著“規范”。雖然少數工業無線儀表協議正在演繹、推進，但是某一標準要真正成為用戶認可的、首選的標準，仍然有很長的路要走。

目前各供應商和標準制定機構持續推廣自己的產品并作為默認的標準產品，但實事上，用戶將根據這些技術是否能夠真正滿足他們的特殊需求，而選擇工業無線技術及其產品。

因此，怎樣才能成為標準呢？標準如何發揮作用呢？本文將詳細說明工業無線標準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工業無線標準的剖析

數年前，500多個最終用戶和供應商共同探討了工業無線的需求，并最終促進ISA-100.11a標準的產生，獲得了美國能源部的支持。該標準制定工作組希望該工業無線標準能夠達到甚至在某些方面超出有線系統的性能。此外，他們一致認為無線儀表系統必須確保工業等級的可靠性和安全性，能夠不僅應用于非關鍵的監控、報警、監測、管理，以及開環和閉環控制等需求。同時希望工業無線儀表系統能夠滿足關鍵監控和過程控制等應用的性能需求，需要達到小于100毫秒的時間通訊延遲。

簡而言之，該工業無線標準規定了一系列因素，據此現場儀表和自動化供應商生產的產品就能夠滿足各行業不斷發展的需求，且隨著無線儀表系統發展，可實現工廠從監控場合到更關鍵控制場合的應用。

該工業無線標準所構建的無線網絡架構包括以下重要組件：

網關：無線網絡與工廠網絡或工廠網絡終端應用之間的接口。網關用于該標準與其他通信標準之間的通信轉換，充當ISA-100.11a與其他協議（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的轉換器。

安全管理平臺：支持授權設備，對即將加入工業無線傳感器網絡的無線設備進行物理授權；同時管理每個設備的主要安全密鑰并為每個密鑰制定安全策略。

系統管理平臺：管理包括設備和通信在內的工業用無線傳感器網絡。它根據策略控制網絡的運行組態，監控和報告通信組態、性能和運行狀態，并提供與時間相關的服務。

無線主干網絡設備：相互無線通訊，構建無線主干網絡，并支持同現場無線儀表的無線通訊。主干網絡設備的傳輸協議數據單元，支持主干網絡傳輸本地內嵌式的ISA-100.11a協議。主干網是一種數據網絡（尤其是指高速數據網），包括工業以太網、基于IEEE 802.11的無線網狀網絡、W i-MAX網絡，或與互連工廠有線控制網絡的其他無線網絡。

無線I/O設備：安裝在現場的數據輸入或輸出的現場儀表，很容易加入無線網絡進行無線數據通訊。無線I/O設備不配置本身的為其它無線設備路由的功能。這樣構建的無線設備網絡非常簡單，并可實現較低的能耗。

無線路由設備：這些設備具有路由功能，可從其他ISA-100.11a I/O設備接收數據，并無線路由到其它ISA-100.11a設備，從而擴展網絡通訊范圍，實現無線通訊路徑冗余設計。無線路由設備也可是無線I/O設備，即它能自己采集過程數據，并無線傳輸，且同時可為其他I/O設備進行路由。

便攜式組態工具：用于組態、配置ISA-100.11a無線設備，即物理授權，將所需的組態數據（包括安全密鑰）輸入無線設備，以使其可以加入到無線網絡中。

獨一無二的特性

除了WirelessHART規范中的所有的一般技術特點以外，ISA-100.11a還具有更多獨一無二的技術優勢，如：

? 無線主干網絡設備

? 主干網絡路由設備的標準接口

? Duocast 冗余設計

? 共享和專用的時隙

? 多重DLL子網

? 在線遠程無線軟件升級和組態

? 基于IPv6 over Low Power WPAN（6LoWPAN）網絡層設計。

無線主干網絡設備

主干網絡設備構建無線主干網絡，充當無線現場儀表網絡和主干網之間的路由、傳輸功能。ISA-100.11a的無線主干網絡可以由多個主干網絡路由設備相互無線通訊來構建。使用多個主干網絡路由設備構建工業無線主干網絡具有以下優勢：

? 通過空間和時間分集和同步技術，確保無線通訊網絡的穩定性，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，減少無線I/O設備和網關之間的路由“Hop” 次數，降低數據通訊延遲時間。

? 避免單點故障。通過現場安裝多個無線主干網絡路由設備構建無線主干網絡，對把ISA-100.11a無線現場儀表應用于關鍵監控、管理或控制等應用場合非常重要。

主干網絡路由設備的標準接口

標準的通訊接口，能夠支持用戶通過無線主干網絡為現場儀表數據提供路由功能。大多數主干網絡路由設備都遵循互聯網協議（IP），如IEEE 802.11 mesh網絡或Wi-MAX。最常見的主干網絡路由數據包是RFC2529 IPv4內部集成的ISA-100.11a IPv6數據包。IPv6已經成為主流，主干網絡路由設備能夠把ISA-100.11a IPv6數據包直接傳輸到IPv6網絡上。

主干網絡路由設備的標準接口能夠構建靈活的無線主干網絡，支持遠程監控，及工廠范圍內使用ISA-100.11a無線現場儀表。

在遠程監控應用時，需要安裝主干網絡路由設備、安全管理平臺、系統管理平臺以及網關管理平臺。

該架構功能強大，支持工業無線傳感器網絡，即使在主干網絡點到點通訊、變得緩慢或不穩定時，也能夠承擔無線儀表的數據通訊。點到點無線網絡可以基于調制解調器，或基于不可預測的服務質量的共享網絡，例如衛星連接。

在具備高速無線主干網絡的工廠級布置中，用戶在控制室中安裝網關、安全和系統管理平臺，而主干網絡路由設備安裝在現場，以覆蓋整個區域。

標準接口支持用戶能夠將主干網絡路由設備直接連接到高速主干網絡上，并且無需在路由設備和網關之間安裝其他協議轉換設備，即可發送ISA100數據。系統管理平臺、安全管理平臺和網關等無線傳感器網絡的核心，通常位于控制室環境中，而不會暴露在戶外環境中。目前，絕大多數工廠級應用都充分利用了該功能，將主干網絡路由設備連接到高速IEEE 802.11網絡中。

共享、專用的時隙

某些無線標準要求每個設備必須使用專用的通信時隙。而ISA-100.11a無線標準規定，除采用專用時隙外，還包括共享時隙的概念。這些設備可以根據各自的需求使用共享的時隙。

當最終用戶更改設備組態或資產管理應用程序需要獲取數據進行故障診斷時，共享時隙就可以滿足這種需求。

共享時隙能夠使網絡快速響應來自現場設備的額外需求，并提供與有線網絡相同的性能。

多重子網

多重子網使ISA-100.11a用戶能夠設計各種應用范圍和規模的無線傳感器網絡，如單一、小規模、獨立的網絡（氣井、油井或小型車間中），或工廠級的由數千個無線設備和多個無線網絡組成的集成系統。對于加入網絡的子網或設備的數量沒有技術限制。子網是指共享特定數據鏈路層組態的一組設備，最多可以包含30,000個設備（子網尋址空間的限制）。通過多重子網，網絡中的設備數量可以線性擴展。

實際上，多重子網設計可使單個ISA100系統管理平臺同時慢速子網（如采樣速度每隔一小時、不經常通訊的設備，且使用載波偵聽多路訪問的通訊機制）和更快速的子網（如使用時分多址TDMA技術，確保所有設備都有專用時隙傳輸各自的測量數據）等。

工業用無線傳感器網絡非常靈活——系統允許用戶向上擴展，混合搭配不同類型的拓撲結構，且只需單個系統管理平臺來管理所有無線設備（ISA-100.11a標準中詳細闡述了其所支持的一系列網絡架構和拓撲結構）。

Duocast 冗余設計

Duocast冗余設計是“確保在工業環境中無線變送器發送的數據安全性、完整性和可用性”的關鍵。Duocast使用兩個接收器接收并確認I/O設備發送的數據。其優勢包括：數據可用性：無線儀表同無線主干網絡路由設備的Duocast冗余通訊設計，能夠確保從現場無線儀表到上位主機系統的完全冗余（冗余服務器、冗余控制器）；延遲：Duocast提供了更優的延遲，特別是當路由器擁有更多的子路由器時，因為如果首次傳輸失敗，設備無需等待下一個預定的時隙即可嘗試第二次傳輸；擴展性：Duocast在源節點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支持的自動重新路由功能；電池壽命：對于雙重數據轉換節點的間歇性通訊連接，Duocast能夠保證無線設備的電池壽命更長。即使接收器也采用電池供電，亦是如此。