工业无线国际标准介绍，重点剖析ISA-100.11a（一）

霍尼韦尔自动化集团过程控制部 Soroush Am idi

对于过程制造行业的观察者，术语“无线标准”似乎很矛盾。毕竟标准就意味着“规范”。虽然少数工业无线仪表协议正在演绎、推进，但是某一标准要真正成为用户认可的、首选的标准，仍然有很长的路要走。

目前各供应商和标准制定机构持续推广自己的产品并作为默认的标准产品，但实事上，用户将根据这些技术是否能够真正满足他们的特殊需求，而选择工业无线技术及其产品。

因此，怎样才能成为标准呢？标准如何发挥作用呢？本文将详细说明工业无线标准ISA-100.11a，并简要介绍哪些因素使它成为满足用户无线需求的唯一选择。

对ISA-100.11a工业无线标准的剖析

数年前，500多个最终用户和供应商共同探讨了工业无线的需求，并最终促进ISA-100.11a标准的产生，获得了美国能源部的支持。该标准制定工作组希望该工业无线标准能够达到甚至在某些方面超出有线系统的性能。此外，他们一致认为无线仪表系统必须确保工业等级的可靠性和安全性，能够不仅应用于非关键的监控、报警、监测、管理，以及开环和闭环控制等需求。同时希望工业无线仪表系统能够满足关键监控和过程控制等应用的性能需求，需要达到小于100毫秒的时间通讯延迟。

简而言之，该工业无线标准规定了一系列因素，据此现场仪表和自动化供应商生产的产品就能够满足各行业不断发展的需求，且随着无线仪表系统发展，可实现工厂从监控场合到更关键控制场合的应用。

该工业无线标准所构建的无线网络架构包括以下重要组件：

网关：无线网络与工厂网络或工厂网络终端应用之间的接口。网关用于该标准与其他通信标准之间的通信转换，充当ISA-100.11a与其他协议（Modbus、HART、Foundation Fieldbus等）的转换器。

安全管理平台：支持授权设备，对即将加入工业无线传感器网络的无线设备进行物理授权；同时管理每个设备的主要安全密钥并为每个密钥制定安全策略。

系统管理平台：管理包括设备和通信在内的工业用无线传感器网络。它根据策略控制网络的运行组态，监控和报告通信组态、性能和运行状态，并提供与时间相关的服务。

无线主干网络设备：相互无线通讯，构建无线主干网络，并支持同现场无线仪表的无线通讯。主干网络设备的传输协议数据单元，支持主干网络传输本地内嵌式的ISA-100.11a协议。主干网是一种数据网络（尤其是指高速数据网），包括工业以太网、基于IEEE 802.11的无线网状网络、W i-MAX网络，或与互连工厂有线控制网络的其他无线网络。

无线I/O设备：安装在现场的数据输入或输出的现场仪表，很容易加入无线网络进行无线数据通讯。无线I/O设备不配置本身的为其它无线设备路由的功能。这样构建的无线设备网络非常简单，并可实现较低的能耗。

无线路由设备：这些设备具有路由功能，可从其他ISA-100.11a I/O设备接收数据，并无线路由到其它ISA-100.11a设备，从而扩展网络通讯范围，实现无线通讯路径冗余设计。无线路由设备也可是无线I/O设备，即它能自己采集过程数据，并无线传输，且同时可为其他I/O设备进行路由。

便携式组态工具：用于组态、配置ISA-100.11a无线设备，即物理授权，将所需的组态数据（包括安全密钥）输入无线设备，以使其可以加入到无线网络中。

独一无二的特性

除了WirelessHART规范中的所有的一般技术特点以外，ISA-100.11a还具有更多独一无二的技术优势，如：

• 无线主干网络设备

• 主干网络路由设备的标准接口

• Duocast 冗余设计

• 共享和专用的时隙

• 多重DLL子网

• 在线远程无线软件升级和组态

• 基于IPv6 over Low Power WPAN（6LoWPAN）网络层设计。

无线主干网络设备

主干网络设备构建无线主干网络，充当无线现场仪表网络和主干网之间的路由、传输功能。ISA-100.11a的无线主干网络可以由多个主干网络路由设备相互无线通讯来构建。使用多个主干网络路由设备构建工业无线主干网络具有以下优势：

• 通过空间和时间分集和同步技术，确保无线通讯网络的稳定性，避免无线电干扰和障碍物对无线通讯的影响。

• 利用高速无线主干网，减少无线I/O设备和网关之间的路由“Hop” 次数，降低数据通讯延迟时间。

• 避免单点故障。通过现场安装多个无线主干网络路由设备构建无线主干网络，对把ISA-100.11a无线现场仪表应用于关键监控、管理或控制等应用场合非常重要。

主干网络路由设备的标准接口

标准的通讯接口，能够支持用户通过无线主干网络为现场仪表数据提供路由功能。大多数主干网络路由设备都遵循互联网协议（IP），如IEEE 802.11 mesh网络或Wi-MAX。最常见的主干网络路由数据包是RFC2529 IPv4内部集成的ISA-100.11a IPv6数据包。IPv6已经成为主流，主干网络路由设备能够把ISA-100.11a IPv6数据包直接传输到IPv6网络上。

主干网络路由设备的标准接口能够构建灵活的无线主干网络，支持远程监控，及工厂范围内使用ISA-100.11a无线现场仪表。

在远程监控应用时，需要安装主干网络路由设备、安全管理平台、系统管理平台以及网关管理平台。

该架构功能强大，支持工业无线传感器网络，即使在主干网络点到点通讯、变得缓慢或不稳定时，也能够承担无线仪表的数据通讯。点到点无线网络可以基于调制解调器，或基于不可预测的服务质量的共享网络，例如卫星连接。

在具备高速无线主干网络的工厂级布置中，用户在控制室中安装网关、安全和系统管理平台，而主干网络路由设备安装在现场，以覆盖整个区域。

标准接口支持用户能够将主干网络路由设备直接连接到高速主干网络上，并且无需在路由设备和网关之间安装其他协议转换设备，即可发送ISA100数据。系统管理平台、安全管理平台和网关等无线传感器网络的核心，通常位于控制室环境中，而不会暴露在户外环境中。目前，绝大多数工厂级应用都充分利用了该功能，将主干网络路由设备连接到高速IEEE 802.11网络中。

共享、专用的时隙

某些无线标准要求每个设备必须使用专用的通信时隙。而ISA-100.11a无线标准规定，除采用专用时隙外，还包括共享时隙的概念。这些设备可以根据各自的需求使用共享的时隙。

当最终用户更改设备组态或资产管理应用程序需要获取数据进行故障诊断时，共享时隙就可以满足这种需求。

共享时隙能够使网络快速响应来自现场设备的额外需求，并提供与有线网络相同的性能。

多重子网

多重子网使ISA-100.11a用户能够设计各种应用范围和规模的无线传感器网络，如单一、小规模、独立的网络（气井、油井或小型车间中），或工厂级的由数千个无线设备和多个无线网络组成的集成系统。对于加入网络的子网或设备的数量没有技术限制。子网是指共享特定数据链路层组态的一组设备，最多可以包含30,000个设备（子网寻址空间的限制）。通过多重子网，网络中的设备数量可以线性扩展。

实际上，多重子网设计可使单个ISA100系统管理平台同时慢速子网（如采样速度每隔一小时、不经常通讯的设备，且使用载波侦听多路访问的通讯机制）和更快速的子网（如使用时分多址TDMA技术，确保所有设备都有专用时隙传输各自的测量数据）等。

工业用无线传感器网络非常灵活——系统允许用户向上扩展，混合搭配不同类型的拓扑结构，且只需单个系统管理平台来管理所有无线设备（ISA-100.11a标准中详细阐述了其所支持的一系列网络架构和拓扑结构）。

Duocast 冗余设计

Duocast冗余设计是“确保在工业环境中无线变送器发送的数据安全性、完整性和可用性”的关键。Duocast使用两个接收器接收并确认I/O设备发送的数据。其优势包括：数据可用性：无线仪表同无线主干网络路由设备的Duocast冗余通讯设计，能够确保从现场无线仪表到上位主机系统的完全冗余（冗余服务器、冗余控制器）；延迟：Duocast提供了更优的延迟，特别是当路由器拥有更多的子路由器时，因为如果首次传输失败，设备无需等待下一个预定的时隙即可尝试第二次传输；扩展性：Duocast在源节点拥有更多的传输路径，这是一种图式路由冗余，并具备ISA-100.11a支持的自动重新路由功能；电池寿命：对于双重数据转换节点的间歇性通讯连接，Duocast能够保证无线设备的电池寿命更长。即使接收器也采用电池供电，亦是如此。