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1、ANSI/ISA100.11a和WirelessHART自组织与自管理的工业无线网络ANSI/ISA100.11a和WirelessHART自组织与自管理的工业无线网络控制工程网KinichiKitano导语：那些考虑通过无线网络将现场设备例如仪表和执行器连接到控制和监视系统的工厂或者设施，通常有两个主要的无线协议可以选择：ANSI/ISA100.11a和WirelessHART协议。两者均被国际电工委员会IEC采用为全球标准分别为IEC62734-无线通信网络和通信配置文件，和IEC62591-工业网络：无线通信网络和通信配置文件，并且已经使用了大约10年。那些考虑通过无线网络将现场设备例如
2、仪表和执行器连接到控制和监视系统的工厂或者设施，通常有两个主要的无线协议可以选择：ANSI/ISA100.11a和WirelessHART协议。两者均被国际电工委员会IEC采用为全球标准分别为IEC62734-无线通信网络和通信配置文件，和IEC62591-工业网络：无线通信网络和通信配置文件，并且已经使用了大约10年。这两种方法有许多相似之处。例如，他们使用一样的低功耗IEEE802.15.4无线电。WirelessHART的网状网是一个自己修复和自组织的网络。ISA100.11a也是自己修复的，每个节点都可以有冗余途径，用户指定这些管理网络的途径。然而，网络组织的方式有很大不同。很大程度上
3、取决于网络形成通信途径的方式，并使用网格技术，这种技术确定各个现场设备怎样互相双向通信。图1：布置在各个仪器和网关之间的路由器，有助于管理数据流量并最大限度地减少对网格的依赖。本文图片来源：横河电机WirelessHART自组织这两种协议都起源于21世纪初，当时经过制造领域的自动化技术，正在发生宏大的变化。早年间发生的战争已经销声匿迹，但它给许多自动化供给商留下了一个深入印象：假如因技术太复杂而无法运行，那即使具有技术优势，仍可能会降低实现商业应用的可能性。WirelessHART出如今市场上，它的配置简单、快速，这或者许是祈望防止与基金会现场总线和ProfibusPA总线类似的吐槽：它们太复
4、杂，一般工厂人员无法轻松施行。WirelessHART协议，采用了传统有线仪表HART协议的许多工具和技术，但使用无线进展通信。WirelessHART具有自组织功能，因此网络上的设备可以自动确定怎样互相通信以交换数据。单个仪器的发射器可以将数据发送到相邻设备，相邻设备拾取数据并彼此传递数据，直至到达网关。这会导致一些延迟，但这通常只是次要考虑因素。网络的自组织才能是动态的，可以根据不断变化的条件即时进展调整。该技术有效并且有其优势，但也存在着挑战：使WirelessHART自己管理消除了大多数外部管理工具。网络创立自己的通信途径，但无法实现手动旁路。WirelessHART的自组织特性意味着
5、可扩展性可能成为一个问题。任何网关都有处理设备的上限例如最多100个设备。自组织并不总是意味着自己优化。它可以为给定设备找到具有足够带宽的通信途径，但该通信途径并不一定是最直接的途径。网络设计人员可以使用诊断工具来查看设备的通信方式，但WirelessHART无法指示哪些设备之间互相通信。假如所使用的途径不太理想，那么创立新途径的机制需要在网络中放置其它设备以允许网络形成更好的途径。添加更多设备，不一定能消除夹点或者减少信号到达网关所需的跳数。网络根据需要调整自身的才能，为网络入侵者的尝试和探究提供了攻击面。例如，“虫洞攻击专门针对为某个目的而特设的网络，即使攻击者没有破坏任何主机或者破坏任何
6、加密，它可以能破坏正常的通信途径。有了防御技术，要想成功地进展攻击并不容易，但依赖于网状通信的网络具有这一致命弱点。网络的物理布局可能导致它创立的通信途径，往往依赖于少量策略性放置的节点，传输来自大量设备的数据。这些夹点pinchpoint可能给这些战略节点带来沉重的负担，假如由于电池故障或者途径的某些其它中断而丧失，就可能会切断网络的主要局部。WirelessHART协议成认这些夹点存在的可能性及其可能的影响：首先，必须通过夹点进展通信的无线设备可能降低了通信可靠性。其次，必须通过夹点进展通信的无线设备的带宽可能会受到限制，并且网络性能可能受到不利影响。第三，作为夹点的无线设备，将消耗额外的
7、功率来传输增加的消息负载。这对电池供电导致电池寿命减少或者依赖于清洁能量的设备例如，太阳能供电设备尤其重要。很多情况都会让网络出现夹点。例如，夹点可能是由于网络设计或者安装不当、射频RF环境不断变化、网络物理空间变化影响射频环境和无线设备停顿效劳等原因造成的。WirelessHART网络分析工具可以监控通信途径和成员设备的状态，例如电池状况。该软件可识别夹点已形成的位置，并向运行人员警示出现夹点。遗憾的是，网络无法采取任何措施来纠正这种工况，因为解决方案总是涉及添加或者挪动设备以建立更有利的通信途径。必须有人重新安排事情，直到网络找到自己的解决方案或者在另一个位置添加新的网关，设置可能涉及到细
8、分网络。被管理与自组织ISA100标准委员会的成立旨在准备一系列用于工业自动化应用的无线通信标准。ISA100第3工作组负责ISA100.11a的开发，自2021年以来，产品一直以ISA100无线品牌出货。更大的标准编制工作始于支持复杂制造环境的网络，不仅仅涵盖现场设备和仪器。该标准的创立者还认为，获得最大的性能和平安性的比重，应高于过度简化。为了知足重要用户所需的性能和控制，一些网络规划和管理是必要的。但这必须在不影响现场总线可用性的情况下完成。可以将ISA100.11a无线仪表网络设置为自组织网状网络，就像WirelessHART一样，但它不是唯一的选择。有更多的工具和技术可供使用，用户可
9、以为给定应用程序和工厂环境选择最正确方法。在施行ISA100.11a工程的设计阶段进展简单的规划和考虑，将大大改善网络所依赖的所有无线电链路。解析根本的信号传播，可以指导设备和天线的布置，防止受到复杂工厂中处处可见的钢罐和钢构造的影响，并防止网状网络的缺点。ISA100.11a可以使用路由器作为中继点如图1，而不是将大型设备组的设备都直接连接到同一网关，这些设备从各个无线仪器采集数据，然后将数据传输到网关。路由器只是无线发射器，例如温度发射器，经配置可以与网关进展主动通信。这防止了在多个现场设备之间发送信号，而多设备间发送信号会降低数据挪动速度，还会增加每个设备的功耗。通过这种方式实现ISA1
10、00.11a，仅在需要时用网状网作为解决网络中断的一种手段，而不是长期处于活动状态用于每个设备的通信。由于不需要持续通讯，因此刷新率非常低的现场仪表例如大型水箱上的液位指示器可以长时间处于休眠状态。由于不需要持续保持活泼状态并与其它设备通信，因此可以节省电源。假如重大网络中断破坏了现场仪表与其主路由器之间的链路，那么设备将自动联络辅助路由器。无线网络的有效施行最有效的做法之一是将路由器置于较高的位置，这样网关就具有明晰的“视线，并且可以俯视各个设备图2。固然大多数无线现场仪表具有集成安装的天线，但假如路由器没有明晰的“视线，那么可能必须挪动天线以避开障碍物。此外，假如单个仪器试图发送信号到特定
11、点，可以使用定向天线来增加信号强度。图2：有效的路由器布置可以使网络两端的通信更可靠。使用网络管理工具的工程师和技术人员，负责建立这些通信链路，这些通信链路一旦建立，由于设备本身安装在某个地方，因此通常会保持静态。可以能会中断，例如通讯阻塞切断了无线电链路，但网络通常不需要不断的进展调整。使用这些方法部署良好的ISA100.11a网络，可以多年保持稳定运行。某些薄弱设备可能需要挪动天线，但这并不难于实现。ISA100系列无线标准基于适用于经过工厂环境的概念。从最初开场，它就被用于炼油厂、化工厂和其它具有挑战性的工况。它还涵盖了仪器以外众多形式的无线通信。另一方面，WirelessHART选择通过采用和改良现有技术来缩短开发工作量。固然防止“另起炉灶通常是一种明智的方法，但在这种情况下，旨在在不断变化的条件下为建立某个目的而特设的网络所采用的技术，在某些情况下可能会带来一定的挑战。选择在设施中施行哪种无线网络至关重要，对于给定工况，最优选择取决于众多因素。声明：本文为转载类文章，如涉及版权问题，请及时联络我们删除QQ:2737591964，不便之处，敬请谅解！0