工业无线:现场设备网状网络101

工业无线设计减少了网络故障。“跟着线走。”这是我们的实验室技术人员过去告诉我们的过程数据没有显示在我们的系统上。我们会沿着这条线走，当然，我们会发现我们的一个换能器连接不良或反向接线。有了无线发射器，就不需要跟着电线走了。这就是无线技术的魅力所在。事实上，如果设计得当，数据可以通过多个无线路径从传感器传输到控制器。

这个概念可能会吓到仪表专业人员。然而，在第一次或第二次安装无线现场仪器系统后，这种最初的反应很快就被热情所取代。为了帮助消除相关的恐惧，下面概述了无线现场仪器系统，并讨论了传感器网状网络，传感器如何通信，以及系统如何确保设备之间可靠的无线电通信。以ISA100.11a现场设备网络为例，对如何在无线现场设备和主机应用程序之间处理无线通信进行一般性解释。

无线拓扑

传统的无线现场设备网络拓扑由无线现场设备和无线现场设备网络管理器组成。现场设备可以是输入/输出(I/O或IO)设备，例如发射机或执行器、有线发射机的无线适配器或骨干路由器设备。I/O设备或无线适配器也可以配置为路由器。他们可以传输自己的数据和从附近的无线现场设备接收的数据。许多仪器仪表专业人员熟悉输入和输出设备，但不熟悉无线适配器或骨干路由器。无线适配器是一种现场设备，可以连接到有线设备，立即将其变成无线设备。

目前，无线适配器用于从没有连接到HART I/O设备的有线HART设备发送诊断数据。骨干路由器是根据ISA100.11a标准引入的一种新型现场设备。该现场设备封装ISA100.11a设备接收到的数据，并通过骨干网发送给无线现场设备管理器。无线现场设备管理器有ISA100.11a接口和骨干网接口两个接口。骨干网是一种数据网络，例如但不限于工业以太网、IEEE 802.11或设备内的任何其他网络。

无线现场设备网络由无线现场设备网络管理器管理，无线现场设备网络管理器同时具有系统管理器、安全管理器和网关的功能。

系统管理员管理网络、设备和所有通信。以ISA100.11a为例，网络可以由多个子网组成。安全管理器生成安全密钥并对设备进行认证。它还将管理现场设备之间的契约，确保只有经过身份验证的设备才能相互通信。最后，网关提供无线现场设备与工厂网络之间的接口。网关将从无线现场设备接收到的数据转换为已建立的现场协议(如Modbus, HART等)或专有协议，例如用于振动特征的协议。

现场设备寻址

ISA100.11a现场设备网络使用IPv6 over Low - power Personal Area network (6LoWPAN)网络层，这使得它可以很容易地插入具有ip能力的骨干网络。当ISA100.11a现场设备被授权加入ISA100.11a网络时，将获得一个128位的IPv6网络地址和一个16位的数据链路子网短地址。这两个地址都由系统管理器分配。128位的地址在ISA100.11a网络中唯一标识设备，16位的别名在ISA100.11a子网中也是如此。16位子网地址仅在子网内使用;一旦消息到达骨干网，就使用完整的128位IPv6地址。

现场设备通信

所有基于标准的无线现场设备(ISA100.11a或WirelessHART)都使用符合IEEE 802.15.4-2006的无线电，该无线电在2.4GHz频段工作，并允许跨16个直接序列扩频(DSSS)信道跳频。

所有标准设备都支持双向通信，这意味着它们侦听传入消息并发送待处理消息。那么，如果其他设备(即支持Wi-Fi的设备)正在使用2.4 GHz带宽，那么无线现场设备如何在不发生冲突的情况下相互通信呢?

频道跳跃，时隙

ISA100.11a标准使用智能信道跳频算法来管理来自其他射频设备和多路径拒绝的干扰。通过使用不同的频谱，改善了与其他射频系统的共存。最后，相同的算法确保不使用性能一直较差的频率。

每个设备在频道之间跳来跳去进行通信时使用特定的时隙。时隙是一个不重复的时间段，其持续时间是可配置的(范围从10毫秒到15毫秒)。时隙时长由系统管理员在设备入网时设置。在这些时间段内，设备可以执行一系列操作，如发送、侦听、等待、超时和确认。

在ISA100.11a标准中定义了三种操作模式:有槽信道跳频、慢速信道跳频和混合。每种模式都提供了配置时隙系列的方法。

共存策略

同时使用其他几个策略来优化与2.4 GHz无线电频谱的其他用户的共存，特别是基于WiFi的用户:

• 利用骨干网:在一到两跳内将数据传输到高质量的骨干网，可以减少对ISA100.11a无线电信道的使用，提高可靠性和延迟。
• 时隙操作:时隙操作和定时传输可以最大限度地减少子网内的冲突和通信重试。
• 无线电选择:IEEE 802.15.4 . 2006无线电和WiFi无线电可以同时传输而不丢失数据。
• 低占空比:数据传输不频繁，将网络开销降至最低。
• 断奏传输:ISA100.11a传输非常短(不是突发)，使同一位置的WiFi网络在丢失数据包的情况下能够快速恢复。
• 时间分集:可配置的重试周期可能跨越数百毫秒，使系统能够与可能需要使用该频带进行高优先级活动爆发的频谱的其他用户共存。
• 信道分集:无线电的低占空比分布在16个信道上，进一步将最坏的干扰机会减少到1%的一小部分。
• 频谱管理:用户可以将操作限制在特定的无线电频道。
• 自适应信道跳频:系统可以逐链路避免有问题的信道，例如显示WiFi交叉干扰或持续多径衰落的信道。
• 避免碰撞:802.15.4 MAC支持CSMA。

路由、nonrouting

在ISA100.11a标准中，现场设备可以配置为路由设备或非路由设备。

非路由设备没有机制来路由从其他ISA100.11a设备接收的数据。它将简单地将其数据发送到路由设备(路由I/O或骨干路由器)。这最大限度地减少了能源消耗，最大限度地延长了电池寿命。非路由模式还可以改善消息延迟。

路由设备可以路由来自相邻设备的数据。除了从附近的无线I/O设备接收的数据外，路由I/O设备还可以路由自己的数据。具有路由功能的设备通常用于扩展ISA100.11a网络的范围。

线路管理

ISA100.11a标准支持两种类型的路由，图和源。图路由由系统管理器管理，并基于设备生成的报告，这些报告即时指示到相邻设备的无线连接的质量。系统管理员收集这些信号质量报告以做出路由决策。一旦系统管理器做出路由决定，它就会为网络中的每个设备配置路由。

源路由在发送设备级别处理。设备指定报文通过子网的路由。当一个源数据包到达下一个接收设备时，将检查路由以确定该消息应该转发给哪个邻居。图路由是最有效的路由管理方法。

智能现场管理器

您可能无法再使用无线现场设备“跟随线路”，但您肯定可以依赖无线现场设备管理器的智能来为您跟随线路。无线标准，特别是为无线通信而设计的ISA100.11a，已经考虑到了通信介质。这些新的无线设备具有必要的内置智能，可以在严重的射频干扰下继续通信。

Soroush Amidi是霍尼韦尔过程解决方案的产品营销经理。他管理多个无线解决方案，包括OneWireless Network，霍尼韦尔的工业无线局域网。Soroush在自动化行业工作超过13年，积累了丰富的经验，包括在霍尼韦尔担任各种工程、综合管理和营销职位。他持有the University Paris Vi, France的化学学士学位;加拿大西安大略大学化学工程学士学位;加拿大麦吉尔大学工商管理硕士。

www.honeywell.com/ps/wireless

//www.globalelove.com/wireless

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。