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    作者：Soroush Amidi

    主要內(nèi)容：

    • ISA-100.11a工業(yè)無線標準中的特殊設(shè)計，如無線主干網(wǎng)絡(luò)、主干網(wǎng)絡(luò)的標準接口以及Duocast冗余設(shè)計。 

    • ISA-100.11a支持通信專用時隙，也支持共享時隙。 

    • Duocast冗余設(shè)計的優(yōu)勢：提高數(shù)據(jù)可用性、降低通訊延遲、提升無線網(wǎng)絡(luò)的擴展性和延長電池使用壽命。 

    對于過程制造行業(yè)的觀察者，術(shù)語“無線標準”似乎很矛盾。畢竟，標準就意味著“規(guī)范”。雖然少數(shù)工業(yè)無線儀表協(xié)議正在演繹、推進，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。

    雖然某些供應商和標準制定機構(gòu)必然繼續(xù)推廣自己的產(chǎn)品并作為默認的標準產(chǎn)品，但實事上，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，怎樣才能成為標準呢？標準如何發(fā)揮作用呢？本文將詳細說明工業(yè)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(yè)無線標準的剖析 

    數(shù)年前，500多個最終用戶和供應商共同探討了工業(yè)無線的需求，并最終導致ISA-100.11a標準的產(chǎn)生，并獲得了美國能源部的支持。該標準制定工作組希望該工業(yè)無線標準能夠達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，能夠應用于非關(guān)鍵的控控、報警、監(jiān)測、管理，以及開環(huán)和閉環(huán)控制等需求。他們希望工業(yè)無線儀表系統(tǒng)能夠滿足關(guān)鍵監(jiān)控和過程控制等應用的性能需求，需要小于100毫秒的時間通訊延遲。

    簡而言之，該工業(yè)無線標準規(guī)定了一系列因素，據(jù)此現(xiàn)場儀表和自動化供應商生產(chǎn)的產(chǎn)品就能夠滿足各行業(yè)不斷發(fā)展的需求——這是一項面向未來、經(jīng)得起未來檢驗的工業(yè)無線標準。標準委員會確定的這些關(guān)鍵因素，能夠完美滿足用戶的需求，并且隨著無線儀表系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)工廠從監(jiān)控場合到更關(guān)鍵的控制場合的應用。

    該工業(yè)無線標準所構(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)的終端應用之間的接口。網(wǎng)關(guān)用于該標準與其他通信標準之間的通信轉(zhuǎn)換，充當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)備進行物理授權(quán)；同時管理每個設(shè)備的主要安全密鑰并為每個密鑰制定安全策略。

    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)的運行組態(tài)，監(jiān)控和報告通信組態(tài)、性能和運行狀態(tài)，并提供與時間相關(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)、Wi-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，并實現(xiàn)較低的能耗。

    無線路由設(shè)備：這些設(shè)備具有路由功能，可以從其他ISA-100.11a I/O 設(shè)備接收到數(shù)據(jù)，并無線路由到其它ISA-100.11a設(shè)備，從而擴展了網(wǎng)絡(luò)通訊范圍，并實現(xiàn)了無線通訊路徑冗余設(shè)計。無線路由設(shè)備也可以是無線I/O設(shè)備，即它可以自己采集過程數(shù)據(jù)，并無線傳輸，而且同時可以為其他I/O設(shè)備進行路由。

    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。

    獨一無二的特性

    除了WirelessHART規(guī)范中的所有的一般技術(shù)特點以外，ISA-100.11a還具有更多獨一無二的技術(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)備的標準接口 

    • Duocast 冗余設(shè)計

    • 共享和專用的時隙 

    • 多重DLL子網(wǎng) 

    • 在線遠程無線軟件升級和組態(tài) 

    • 基于IPv6 over Low Power WPAN (6LoWPAN)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 

    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)通訊延遲時間 

    • 避免單點故障 

    通過現(xiàn)場安裝多個無線主干網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備，構(gòu)建無線主干網(wǎng)絡(luò)，對于把ISA-100.11a無線現(xiàn)場儀表應用于關(guān)鍵監(jiān)控、管理或控制等應用場合，非常重要。

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

    在遠程監(jiān)控應用時，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)點到點通訊、變得緩慢或不穩(wěn)定時，也能夠承擔無線儀表的數(shù)據(jù)通訊。點到點無線網(wǎng)絡(luò)可以基于調(diào)制解調(diào)器，或基于不可預測的服務(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，以覆蓋整個區(qū)域。

    標準接口支持用戶能夠?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)工廠級的應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、專用的時隙

    某些無線標準要求每個設(shè)備必須使用專用的通信時隙。而ISA-100.11a無線標準規(guī)定，除了采用專用時隙以外，還包括共享時隙的概念。這些設(shè)備可以根據(jù)各自的需求使用共享的時隙。

    當最終用戶更改設(shè)備組態(tài)或資產(chǎn)管理應用程序需要獲取數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)快速響應來自現(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)計各種應用范圍和規(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)千個無線設(shè)備和多個無線網(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)量可以線性擴展。

    實際上，多重子網(wǎng)設(shè)計能夠使單個ISA100系統(tǒng)管理平臺同時慢速子網(wǎng)（如采樣速度每隔一小時、不經(jīng)常通訊的設(shè)備，并且使用載波偵聽多路訪問的通訊機制）和更快速的子網(wǎng)（，如使用時分多址TDMA技術(shù)，確保所有設(shè)備都有專用時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)允許用戶向上擴展，混合搭配不同類型的拓撲結(jié)構(gòu)，而且只需要單個系統(tǒng)管理平臺來管理所有的無線設(shè)備。（700多頁的ISA-100.11a標準中詳細闡述了其所支持的一系列的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)。）

    Duocast 冗余設(shè)計

    Duocast冗余設(shè)計是“確保在工業(yè)環(huán)境中無線變送器發(fā)送的數(shù)據(jù)的安全性、完整性和可用性”的關(guān)鍵。Duocast使用兩個接收器接收并確認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，能夠確保從現(xiàn)場無線儀表到上位主機系統(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，特別是當路由器擁有更多的子路由器時，因為如果首次傳輸失敗，設(shè)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(jié)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換節(jié)點的間歇性通訊連接，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，也是如此。 

    摘自《自動化博覽》2011年第七期