现场设备能有一个单一的无线协议吗?

过程工业不会立即采用新技术。相反，他们通常逐步地、有条不紊地开始应用，在这些应用中，技术提供了足够的好处，以克服它根本不能工作或不能可靠地工作的风险。许多用户将在一些试验装置上测试新技术，通常用于非关键流程。在操作成功和足够的经济激励下，新技术将被指定用于在供应商提供支持的地点建造新工厂。最终，新技术将被指定用于新建工厂建设、重大改造和现代化项目，最终成为行业规范。基金会现场总线(FF)遵循了这一模式，其基本技术在1996年成为标准，近20年后的今天，它已成为石油炼制、石化和化工制造等连续流程工业中新工厂建设和现代化的行业规范。

与2000年的有线过程控制通信标准一样，今天的无线现场仪表有直接竞争的标准:IEC 62734 (ISA100.11a)和IEC 62591 (WirelessHART)。这两个标准看起来非常相似，因为它们都基于相同的IEEE 802.15.4无线电芯片，但实际上它们非常不同，不能互操作。WirelessHART是由HART通信基金会专门设计的，旨在尽可能简单地通过无线网络传输HART数据，并使用熟悉的HART工具和方法进行安装和管理。ISA100无线是由一个开放标准组织与来自250多个国家的技术专家设计的，是一个基于互联网的无线电信协议，用于现在的过程控制数据和未来尚未发明的应用。它是为HART和几乎任何使用标准IEC 61804 (EDDL)的现场总线数据对象的有效传输而设计的。

下面是现场总线示例

延迟无线现场仪表广泛接受的一个问题是，大多数新工厂安装和重大现代化项目现在都在使用基金会现场总线，这是一种非常智能的现场仪表的有线全数字网络。虽然WirelessHART和ISA100无线网络都可以通过现场总线基金会指定的网关ROM(远程操作管理器)交换来自无线网络的简单数据，但FF H1的无线等效或版本尚未可用。然而，缺乏一个真正的无线版本的FF具有相同的智能，但无线现场仪器是不可用的。现场总线基金会尚未测试在Wi-Fi上工作的FF HSE(高速以太网)，或在ISA100无线ip网络上工作的相同HSE协议。没有任何供应商提供或注册的FF HSE连接设备的无线版本。

用户非常关心的是，主要仪器公司实际上支持两种相互竞争的无线网络标准。更令人担忧的是，他们喜欢的现场仪表供应商使用的无线网络标准往往与他们喜欢的DCS供应商支持的无线网络标准不兼容。用户指望供应商来解决这些问题;供应商必须为他们的客户提供解决方案，而不是问题。缺乏单一的无线网络规范，或普遍接受的行业实践，阻碍了用户接受无线现场仪表，除了在少数领域，无线的好处是压倒性的，应用程序不是快速控制回路。

比较ISA100和wireless shart

ISA100的哪些特性使其成为新的过程控制应用的无线网络的更好选择?正如HART通信基金会在其对该平台的描述中所说，“WirelessHART技术允许用户访问这些已安装的HART智能设备中大量未使用的信息。”

ISA100是专门为与智能过程控制现场仪表的通信而设计的，并且易于配置到特定的高性能要求集。在标准中指定的ISA100无线设备的准备过程中，有许多可配置的选择。标准中出现的这些选项的默认值集称为路由器配置文件，它已针对过程控制现场仪表的安全网状网络进行了优化。

因此，无线过程控制现场仪表的用户不需要配置新的无线仪表来满足本标准的任何选项。其他无线设备的制造商可能有特定的成本、性能或安全需求，可能会使用在低成本设备标准中指定的I/O配置文件，或者可能需要调整一些其他ISA100属性来定制它以满足他们的需求。ISA100的定制版本得到了保证，并进行了合规性测试，以与符合路由器配置文件的现场仪器进行互操作，但用户不需要担心ISA100无线配置文件的调整。

在ISA100的设计过程中，使用了多年前在FF设计中使用的相同的基本要求集。ISA100和FF架构的关键是点对点数据传输，而不需要主机或网关中继。ISA100和FF设备都具有同步的实时时钟，以支持智能网络设备驻留对象的调度。ISA100设备具有精确到±1.0 ms的同步实时时钟。这种时钟精度对于支持电力公用事业行业用户对死后跳闸序列分析的要求也是必要的。

例如，大多数过程控制现场仪表每秒采样一次(1hz)就足以用于监测和大多数闭环控制。ISA100可以将此数据传送到DCS进行这样的控制与时间同步精度。WirelessHART没有时间同步能力。当要配置要求更新速度超过每秒一次的流控制时，只有ISA100可以以每秒一次以上的同步响应交付数据。典型的精馏塔流量控制要求每秒扫描两到四次数据。为了提供这种类型的性能，流量变送器的数据收集时间应该配置最小的网络网格，以保证同步采样时间。ISA100明确支持100毫秒的最大延迟和现场回程路由器，使数据能够在单跳中到达控制器，而没有网状网络的不确定性延迟。

当应用程序对流量控制的要求甚至超过4 Hz时，用户可能需要配置ISA100数据链路层，以允许处理高达12 Hz的流量，这是当前的设计极限。ISA100的优势在于，用户无需更改协议或创建现场总线基金会互操作性测试不支持的新功能块，就可以使用该选项。

提供复杂设备

分析现场仪器等应用可能需要传输长数据集，而这些数据集无法在10毫秒的时隙时间内用短消息进行传输。包括无线分析仪的网段可以使用ISA100特性来允许更长的消息。应用程序可以对消息进行分段，使数据有效负载小于大约90字节，从而考虑到协议开销。ISA100支持分段长消息的重组。由于固定的10ms时隙时间和简单的网络层，WirelessHART不适合高效传输长消息，将消息分段和重组的责任留给了应用程序。将其排除在标准和一致性测试之外的问题是，它将使多个制造商开发可互操作的产品变得更加困难(如果不是不可能的话)。

ISA100的独特功能之一是隧道，即使设备使用与ISA100完全不同的数字协议，也可以通过ISA100无线网络在现场设备和网关之间传输任何数据流。作为首选的替代方法，面向对象的ISA100应用层使无线适配器能够使用ISA100对象模型和服务形成简单有效的消息。设备可以内置ISA100，也可以在设备上安装适配器，接收和发送设备本地格式的消息，如Modbus、DeviceNet、ControlNet、EtherNet/IP、Profibus、HART等，并将消息封装，通过ISA100无线网络传输到网关。

大多数应用程序已经使用ISA100对象模型来传递先前在提到的本机协议中表示的数据，并且不需要使用隧道特性。然后，网关中的软件可以将原始消息中包含的数据路由到预期的接收者。由于ISA100适配器有一个IP地址，外部系统可以将消息路由到该IP地址的现场设备，就像它们可以与任何其他IP设备交互一样。

ISA100的未来应用之一是作为承载网页的设备的现场网络连接。虽然目前还没有用于现场设备的网页托管应用程序，但ISA100基础设施可以实现这些应用程序。同样，智能设备可以运行FF HSE协议，该协议也是基于UDP/ ip的，并且ISA100无线网络将能够使用与FF兼容的ISA100发布/订阅功能与运行相同协议的任何其他设备同步交换消息和数据。

无线网络安全

用户和现场仪器供应商对无线网络的安全性非常关注。为了满足这种需求，ISA100和WirelessHART都使用IEEE 802.15.4无线电芯片的内置AES-128加密来加密每条消息。在ISA100无线网络上，安全管理使用旋转加密密钥，这意味着安全密钥会定期更改。在入侵者需要破解网络加密密钥的时间内，一个新的密钥会自动生成并分发，从而防止实际的入侵。

WirelessHART将信息完整性的加密和检查限制为IEEE 802.15.4标准中八种可能选择中的一种，而ISA100则提供了六种可能的组合。这两个标准都默认使用32位消息完整性代码，但ISA100还提供可配置的64位或128位消息完整性代码，提供更高级别的安全性，这有时是政府和准政府机构的要求。

在ISA100的开发过程中，用户声称需要一种安全的方法来调试或提供新的现场设备，而无需专门的手持设备或物理访问仪器。ISA100有一种安全的无线方法来配置新设备，并允许它使用PKI(公钥基础设施)加入网络。安全性基于两个因素:在发放设备之前，必须在网络中安装标识待发放设备的白名单;用户必须拥有相应的283位证书。白名单和证书使用制造商创建的文件安装到网络安全管理器中，并通过可移动媒体(CD、DVD、USB闪存、SD卡等)提供给用户。

这消除了用户对设备配置操作的需要。当无线仪器安装在现场时，它会自动响应网络请求加入，然后成为操作网络的一部分。此过程安全的原因是使用了标准的283位公钥/私钥方法，该方法不会在空中暴露任何未加密的连接密钥，并且不依赖于不安全的操作过程来将密钥分发给主机系统或通过手持终端。WirelessHART使用物理连接的HART手持终端来输入网络地址和安全密钥。ISA100用户也可以通过红外端口使用类似的互操作机制。

WirelessHART和ISA100都支持网状网络，这是一种很好的方法，可以扩展网络覆盖的距离，访问被建筑物屏蔽的设备，使其远离视线，并为数据传输提供弹性路径，以提高可靠性。然而，当在同步控制回路中使用网格划分时，只有ISA100可以限制网格深度，同时使用双播技术提供完全弹性的数据路径。限制网络深度需要在单跳中可到达的场路由器的位置，因为多层网格会导致信号到达预定目的地的不确定延迟。通过使用弹性实现的可靠网络要求在弹性数据路径上发送的信息是相同的。确保弹性数据路径上发送的数据相同的ISA100特性是内置在ISA100无线技术中的双播特性。WirelessHART有能力将数据发送到其网格上的多条路由，但不是在相同的时隙时间内。

在设备需要从mesh网络中的邻居访问数据的配置中，通过mesh向DCS传输数据和从DCS传输数据可能会涉及到较长的延迟。为了解决这个问题，ISA100支持相邻设备之间的直接通信。这种点对点关系包括直接无线通信，与应用程序对象模型一起操作，该模型可以在没有DCS参与的情况下远程执行现场控制(CiF)逻辑，类似于FF HSE中的CiF操作。

解决困境

过程控制现场仪表的用户在选择安装哪种无线网络时面临着一个困境。他们的选择如下:

1.不安装任何无线现场仪器

2.只安装ISA100无线

3.只安装WirelessHART

4.由于每个工厂通常都标准化使用一个DCS制造商，因此安装与该DCS集成的无线网络

5.只购买双引导设备，这些设备可以在安装时配置为支持标准或

6.安装其他标准，如WIA-PA、ZigBee、蓝牙、Wi-Fi或专有网络。

每种选择都有自己的实际考虑因素，用户必须对其进行分类。

1或6:如果公司想要获得标准无线现场仪器的好处，完全避免使用无线现场仪器，安装另一种标准，或者安装供应商的专有网络都是违背公司利益的。WirelessHART和ISA100都具有经过现场验证的强大安全性，可以确保用户的隐私和入侵保护。

4：在同一家公司内安装ISA100和WirelessHART，并依赖DCS供应商的支持，会牺牲使用单一无线网络选择所能获得的经验和容量。

5：只购买包含两种协议或可以用其中一种协议初始化的双引导设备只能满足减少库存的需要。这将在安装和维护期间造成更大的复杂性，因为这两个网络都需要理解和维护。

2和3:单独安装任何一种标准都限制了公司为厂区选择最佳DCS的能力，如果选择的网络不成为无线网络规范，可能会使该厂区过时。

能有网络规范吗?

虽然仪器供应商和一些最终用户可能会通过双启动方法来支持这两个网络，但这并不能实现行业规范的长期建立，而这是所有最终用户的根本要求。ISA100可以成为未来无线工业网络技术的核心，就像以太网TCP/IP和Wi-Fi已经成为IT网络的规范一样。ISA100完全建立在完善的网络标准之上。这意味着ISA100是一个应用独立的、基于互联网的电信网络，专为关键和非关键工业自动化环境而设计，就像以太网TCP/IP和Wi-Fi是商业网络的应用独立的、基于互联网的电信网络一样。只要应用程序是使用基于IP协议的公共网络标准构建的，它们就可以通过任何标准网络传输，例如ISA100，只要有足够的带宽用于任务，并且它已经适当地适应了自动化行业的特殊需求。

此外，与以太网TCP/IP一样，ISA100的使用独立于网络硬件。随着微处理器和通信半导体的发展，以及频率分配的变化，ISA100无线将能够实现这些转变，而无需对该网络技术上承载的应用进行任何更改。如果历史可以很好地预测未来的发展，那么无线网络技术注定会变得更便宜，使用更少的电力，并且变得更快。随着商业应用的增长，ISA100自然能够适应无线网络技术的新浪潮。

过程控制设备制造商主要关注的是满足客户需求和降低产品成本，以实现有竞争力的定价。客户需求通常从解决短期问题开始，但是大多数人也希望为他们的过程自动化需求开发一个长期的体系结构。由于其较早的产品推出，WirelessHART已可用于解决短期需求，但一些最终用户组织现在认识到，ISA100无线单独满足长期无线架构的需求。

结论

无线过程控制仪器的早期用户的应用需求只集中在从成本过高或无法连接的位置获取过程数据。这些应用中的大多数都可以通过WirelessHART或ISA100无线技术来满足，并且现在已经经过了现场验证并实现了他们的目标。

决定使用WirelessHART作为其工厂无线网络的用户将自己投入到一种控制系统架构中，在这种架构中，现场设备几乎没有智能，并且不可能实现CiF的好处。他们的DCS必须完成所有的信号处理和闭环控制的工作。ISA100当然可以连接这些HART现场设备，但其开放式架构允许在准备就绪时与全功能(智能)现场设备进行同步双向无线数据传输，而无需更改基本网络。我们知道，FF凭借其智能现场设备和高度同步的数据传输，有很强的发展趋势。

虽然早期的努力现在已经产生了两个不可互操作的无线标准，但用户仍然希望建立一个适用于广泛应用的单一无线网络规范，而不仅仅是远程数据点的获取。领先的用户已经认识到，无线网络规范不仅必须是一个国际标准，而且必须适合要求苛刻的应用，如无线FF和现场仪器中的互联网web服务器。只有高度安全的基于ip的协议才能做到这一点，只有ISA100无线才能满足这些需求。

迪克·卡罗是工业网络咨询公司CMC Associates的首席执行官。他是《工业自动化无线网络》一书的作者。

在线

欲了解更多信息，请访问:

www.cmc.us

www.hartcomm.org

www.isa100wci.org

有关更多无线网络覆盖，请访问www.globalelove.com/wireless

关键概念:

• 两种领先的无线协议正在争夺无线仪器领域的主导地位。
• “现场总线之战”也经历了类似的战斗，最终有一个平台成为了领导者。同样的事情能在不造成如此多伤亡的情况下发生在无线领域吗?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。