自组织与管理的工业无线网络

考虑使用无线网络将现场设备(如仪器和执行器)连接到控制和监控系统的工厂或设施有两种主要的无线协议选择:ANSI/ISA 100.11a和WirelessHART。两者均获国际电工委员会(IEC)采纳为全球标准(IEC 62734无线通信网络和通信配置文件而且IEC 62591-工业网络。无线通信网络和通信配置文件，分别)，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，它们使用相同的低功率IEEE 802.15.4无线电)。WirelessHART的网格是一个自修复和自组织的网络。ISA100.11a也是自修复的，每个节点都可以有冗余路径，用户可以指定这些路径来组织网络。然而，网络的组织方式有很大的不同。很大程度上取决于网络形成通信路径和使用网格技术的方式，网格技术控制着单个现场设备如何相互双向通信。

WirelessHART自组织

这两种协议都出现在21世纪初，当时过程制造的自动化技术正在经历重大变化。前十年的现场总线大战已经平息，这给许多自动化供应商留下了这样的印象:如果一项技术过于复杂而无法操作，尽管它在技术上有优势，但它可能会降低商业可行性。

WirelessHART在市场上承诺简单和快速设置，也许是希望避免与基金会现场总线和Profibus PA相关的主要抱怨:它们太复杂了，典型的工业工厂人员不容易实现。WirelessHART采用了许多用于有线仪器的传统HART的工具和技术，并将它们应用于无线通信。

WirelessHART具有自组织功能，因此网络上的设备可以自动确定如何相互通信以交换数据。单个仪器的发射器可以将数据发送到相邻的设备，这些设备将拾取数据并将数据传递给另一个设备，直到数据到达网关。这会导致一些延迟，但这通常是一个次要的考虑。网络的自组织能力是动态的，可以根据不断变化的条件进行动态调整。这项技术很有效，也有好处，但挑战也存在:

• 使WirelessHART自管理消除了用于外部管理的大多数工具。网络创建自己的通信路径，没有机制手动覆盖它们。
• WirelessHART的自组织特性意味着可伸缩性可能成为一个问题。任何网关都有它可以处理的最大设备数量(例如，最多100个设备)。自组织并不总是意味着自我优化。它可以为具有足够工作无线电链路的给定设备找到通信路径，但该通信路径不一定是最直接的路径。网络设计人员可以使用诊断工具来查看设备是如何通信的，但WirelessHART无法指导哪些设备与哪些设备通信。如果形成了非最优路径，创建新路径的机制需要在网络中放置其他设备，以允许网络形成更好的路径。增加更多的设备并不一定能消除瓶颈或减少信号到达网关所需的跳数。
• 网络根据需要自我调整的能力为网络入侵者提供了一个尝试和利用的攻击面。例如，“虫洞”攻击专门针对ad-hoc网络，即使攻击者没有破坏任何主机或破坏任何加密，它也可以破坏正常的通信路径。有防御技术，成功地进行攻击并不容易，但依赖于网状通信的网络有这个关键的弱点。
• 网络的物理布局可能导致它创建的通信路径往往依赖于少数战略位置的节点，来自大量设备的数据通过这些节点。这些“夹点”会给这些战略节点带来沉重的负担，如果其中一个节点由于电池故障或其他路径中断而丢失，那么网络的主要部分可能会被切断。

WirelessHART的专利承认这些关键点的潜力及其可能的影响:

“首先，必须通过夹点进行通信的无线设备可能会降低通信可靠性。其次，必须通过夹点进行通信的无线设备的带宽可能会受到限制，网络性能可能会受到不利影响。第三，作为夹点的无线设备将消耗额外的能量来传输增加的消息负载。这在电池供电的设备(导致电池寿命缩短)或依赖能量清除的设备(例如太阳能设备)中尤其重要。

“夹点是由各种情况造成的。例如，夹点可能是由于不良的网络设计或安装、不断变化的射频环境、网络所在物理空间的变化(这会影响射频环境)以及无线设备退出服务造成的。”

WirelessHART网络分析工具可以监控通信路径以及成员设备的状态，如电池状态。该软件可以识别夹点形成的位置，并可以设置为警告人类操作员它们的存在。不幸的是，网络无法纠正这种情况，因为解决方案总是涉及添加或移动设备来建立更有利的通信路径。有人必须重新安排事情，直到网络可以找到自己的解决方案，或者在不同的位置添加另一个网关，并可能细分网络。

ISA100.11a:托管网络与自组织

ISA100标准委员会的成立是为了准备一系列用于工业自动化应用的无线通信标准。ISA100第三工作组负责ISA100.11a的开发，自2013年以来，产品一直以ISA100无线品牌发货。

更大的标准编写工作始于支持复杂制造环境的网络必须涵盖的不仅仅是现场设备和仪器仪表。该标准的创建者还认为，获得最大的性能和安全性应该超过过度简化。一些网络规划和管理将是必要的，以交付重要用户所需的性能和控制。这必须在没有阻碍现场总线采用的可用性问题的情况下完成。

ISA100.11a无线仪器网络可以设置为使用类似WirelessHART的自组织网状网络，但这不是唯一的选择。有更多可用的工具和技术，用户可以为给定的应用程序和工厂环境选择最佳方法。

在实施ISA100.11a的设计阶段进行简单的规划和思考，将大大改善网络所依赖的所有无线电链路。了解基本的信号传播可以指导设备和天线的放置，避免充满钢罐和结构的复杂工厂安装的共同困难，并避免网状网络的缺点。

ISA100.11a可以使用路由器作为中继点(图1)，而不是设置大型设备组，所有设备都试图直接到达同一个网关，这些路由器从各个无线仪器收集数据，然后数据到达网关。路由器是简单的无线发射机，例如温度发射机，配置为与网关进行积极通信。

这避免了在多个现场设备之间发送信号，从而降低了数据移动的速度，增加了每个设备的功耗。通过这种方式实现ISA100.11a，网格仅在需要时作为解决网络中断的手段使用，而不是经常用于每个设备的通信。

由于网格划分不是持续发生的，因此具有非常慢的刷新率的现场仪器，例如大型油箱上的液位指示器，可以长时间休眠。这将节省电力，而不是一直处于活动状态并与其他设备通信。如果严重的网络中断中断了现场仪器与其主路由器之间的链路，设备将自动联系辅助路由器。

无线网络实现

最有效的做法是将路由器放置在对网关有清晰视线的高处，再加上能够向下看到单个设备(图2)。虽然大多数无线现场仪器都有集成安装的天线，但如果路由器没有清晰的视线，天线可能必须移动以避开障碍物。此外，由于单个仪器试图到达一个特定的点，定向天线可用于大幅增加信号强度。

使用网络管理工具的工程师和技术人员建立了这些通信链路，这些通信链路一旦建立，随着时间的推移通常保持静态，因为设备本身停留在一个地方。可能会出现中断，比如卡车阻塞了无线电链路，但网络通常不需要不断地重新调整。使用这些方法部署良好的ISA100.11a网络可以保持多年稳定。一个弱设备可能需要移动它的天线，这并不难做到。

ISA100系列无线标准是建立在适合工艺工厂环境的概念之上的。从一开始，它就被用于炼油厂、化工厂和其他具有挑战性的环境。它还涵盖了仪器之外的许多形式的无线通信。

另一方面，WirelessHART选择通过采用和调整现有技术来追求更短的开发时间。虽然避免“重新发明轮子”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形成ad-hoc网络的技术在某些情况下提出了挑战。

选择在设施中实施哪种无线网络是至关重要的，在给定的情况下，更好的选择将取决于许多变量。

Kinichi北野高级工程师在吗横河的新油田开发中心。由内容副经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:WirelessHART, ISA100.11a

自组织的WirelessHART网络的功能

实现ISA100.11a无线仪器网络

WirelessHART以及ISA100.11a无线网络功能。

考虑一下:

哪种类型的无线网络将是最有利的实现与特定的应用?

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作者简介

Kinichi北野他是横河新油田开发中心的高级工程师。他在京都大学(Kyoto University)获得控制理论专业工程学硕士学位后加入横河。在他的职业生涯中，他在公司担任过各种职责，包括DCS设计和实现、现场总线技术和无线网络。

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