現(xiàn)場設(shè)備未來會使用統(tǒng)一的無線協(xié)議嗎？

　　正如在2000年左右，有線通訊標準所處的形勢一樣，目前在無線現(xiàn)場儀表標準領(lǐng)域，直接競爭的標準有：IEC 62734 (ISA100.11a) 和IEC 62591 (WirelessHART)。它們看起來都非常相似，因為都是基于IEEE 802.15.4發(fā)射芯片；但實際上它們非常不同，無法相互兼容。WirelessHART，由HART通訊基金會設(shè)計，通過無線網(wǎng)絡(luò)，盡可能簡單地傳輸HART數(shù)據(jù)，并可通過常見的HART工具和方法來安裝和管理數(shù)據(jù)。ISA100無線則是由來自超過250個國家的專家所組成的一個開放標準組織設(shè)計，是一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的電信協(xié)議，用于過程數(shù)據(jù)的輸出，無論是現(xiàn)有的設(shè)備，還是未來的、現(xiàn)在還沒有發(fā)明出來的應(yīng)用上，都可以利用。它的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)高效的HART傳輸，尤其是傳輸任何使用IEC 61804 (EDDL)標準的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)對象。

　　圖1 在某煉油應(yīng)用中，多個現(xiàn)場溫度變送器可以同時處理多個溫度探頭。圖片來源：Yokogawa

　　無線現(xiàn)場儀表協(xié)議的標準之爭

　　導致無線現(xiàn)場儀表協(xié)議沒能獲得更大范圍認可的一個問題是：大多數(shù)新建工廠和大型現(xiàn)代化項目目前使用的都是基金會現(xiàn)場總線，一種有線、全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，高度智能化的現(xiàn)場儀表總線。所以盡管WirelessHART和ISA100無線網(wǎng)絡(luò)可以通過ROM（遠程操作管理器：一種現(xiàn)場總線基金會類型的網(wǎng)關(guān)）在彼此網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)交換，但是，一個真正智能化的無線版本的FF，而不是無線現(xiàn)場儀表，仍然不存在。現(xiàn)場總線基金會還沒有測試的是工作在Wi-Fi上的FF HSE（高速以太網(wǎng)），或者是工作在基于 ISA100無線IP網(wǎng)絡(luò)的FF HSE（高速以太網(wǎng)）。目前沒有任何FF HSE無線版本，能夠連接由供應(yīng)商提供或認證的設(shè)備。

　　用戶們知道，在所有無線網(wǎng)絡(luò)標準競爭者中，有兩家獲得了主要儀表公司的支持。但更讓用戶擔心的是，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況：他們喜歡的現(xiàn)場儀表供應(yīng)商所支持的無線網(wǎng)絡(luò)標準，和他們喜歡的DCS供應(yīng)商所支持的無線網(wǎng)絡(luò)標準，并不一致。用戶期待供應(yīng)商能夠解決這個問題，而不是使其變得更糟。缺乏統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)標準，或者獲得廣泛工業(yè)實踐認可的協(xié)議，導致用戶對無線現(xiàn)場儀表的接受程度比較低。當然了，在一些無線優(yōu)勢比較明顯以及非快速控制回路的應(yīng)用上是個例外。

　　ISA100與WirelessHART的比較

　　ISA100與WirelessHART協(xié)議的不同特性是什么？正如HART通訊基金會對該平臺的描述中所說的，“WirelessHART技術(shù)允許用戶從這些已經(jīng)安裝的智能HART設(shè)備上獲得更多的未使用的信息。”

　　很明顯，ISA100主要用于實現(xiàn)與智能過程控制現(xiàn)場儀表的通訊，經(jīng)過簡單方便的組態(tài)就能滿足高性能要求。 根據(jù)標準的規(guī)定，在準備ISA100無線設(shè)備時，有很多種組態(tài)方法可供選擇。在標準中，給出了這些選項的默認值集合，我們稱之為路由屬性，這些屬性已經(jīng)被優(yōu)化，可用于保護過程控制現(xiàn)場儀表的“Mesh”網(wǎng)絡(luò)。

　　因此，無線過程控制儀表用戶不需要為新無線儀表組態(tài)，以滿足該標準任何選項的要求。其它無線設(shè)備廠家也許有專門的費用，性能或安全方面的需求，也許需要使用在標準中為低成本設(shè)備所定義的I/O配置，或者需要對其它的ISA100特性做調(diào)整以滿足它們的要求?？蛻舳ㄖ瓢姹镜腎SA100可以依據(jù)路由配置實現(xiàn)與現(xiàn)場儀表的相互操作，這是可以保證并經(jīng)過合規(guī)測試的。但是ISA100無線配置的調(diào)整，則不是客戶需要考慮的問題。

　　在ISA100的設(shè)計過程中使用的基本需求集，與很多年前在設(shè)計FF過程中使用的基本需求集一樣。無論是ISA100，還是FF，其結(jié)構(gòu)的根本是點對點通訊，而不需要主機或網(wǎng)關(guān)中繼。ISA100和FF設(shè)備都有同步時鐘，以支持智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的時序安排。ISA100設(shè)備同步時鐘的精度可達± 1.0 ms。這是為了滿足電網(wǎng)用戶對事后停機序列分析的需求而設(shè)置的。

　　例如，大多數(shù)過程控制現(xiàn)場儀表每秒鐘采樣一次（1Hz），這對于監(jiān)視和大多數(shù)閉環(huán)控制已經(jīng)足夠了。ISA100可以將這些打上時標的數(shù)據(jù)，傳遞給實現(xiàn)這些控制功能的DCS系統(tǒng)。WirelessHART沒有時間同步功能。在組態(tài)中，如果流體控制的刷新率大于每秒一次，那么只有ISA100可以提供超過每秒一次的同步響應(yīng)。典型的蒸餾塔控制所需的數(shù)據(jù)刷新速度為秒鐘2-4次。為滿足該功能，應(yīng)將流量變送器與最小的“Mesh”網(wǎng)絡(luò)連接，以確保同步采樣時間。ISA100支持最大100ms的延遲，以及為了使數(shù)據(jù)能夠在單個周期中就可以到達控制器且沒有不確定的網(wǎng)絡(luò)延時所必須的現(xiàn)場Backhaul路由器。

　　在實際應(yīng)用中，如果流量控制的頻率要求大于4Hz，用戶就有必要配置ISA100數(shù)據(jù)鏈層，該數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)鏈層最快的處理速度可達12Hz，這是目前設(shè)計的極限，可以滿足用戶的處理要求。ISA100具有該功能，不需要修改協(xié)議，也不需要創(chuàng)建現(xiàn)場總線基金會互操作測試不支持的新功能塊。

　　對復雜數(shù)據(jù)的傳輸

　　在現(xiàn)場分析儀表領(lǐng)域的應(yīng)用，也許需要傳輸較長的數(shù)據(jù)序列，這些數(shù)據(jù)無法分成較短的信息，以便在10ms周期內(nèi)完成傳輸。因此，包含無線數(shù)據(jù)分析儀的網(wǎng)絡(luò)單元，可以使用ISA100協(xié)議以便傳遞較長的數(shù)據(jù)信息。這些應(yīng)用可以將信息分割成小于90個字節(jié)的數(shù)據(jù)，從而可以節(jié)省寬帶資源。ISA100支持將分段的長信息重組。WirelessHART由于使用固定的10ms掃描周期，而且其網(wǎng)絡(luò)層過分簡化，因此并不適用于高效傳遞長信息，而是將分割和重組長信息的責任留給了應(yīng)用程序。將其置身于標準及合規(guī)測試之外，使得眾多的廠家開發(fā)可相互操作產(chǎn)品的難度加大。

　　ISA100特有的功能之一是在現(xiàn)場設(shè)備和網(wǎng)關(guān)之間的“隧道”技術(shù)，這樣即使設(shè)備使用的數(shù)據(jù)協(xié)議與ISA100的大不相同，該技術(shù)也能使其具有在整個ISA100無線網(wǎng)絡(luò)上傳遞任何數(shù)據(jù)流的能力。作為優(yōu)先選擇的方法，面向?qū)ο蟮腎SA100應(yīng)用層具有已激活的無線適配器，可以利用ISA100對象模型和服務(wù)，產(chǎn)生簡單、有效的信息。該設(shè)備可以內(nèi)置ISA100，也可以使用適配器，以設(shè)備最原始的形式比如：Modbus、 DeviceNet、 ControlNet、 EtherNet/IP、 Profibus和 HART等協(xié)議來完成通訊，并將信息封裝，通過ISA100無線網(wǎng)絡(luò)將其傳遞給網(wǎng)關(guān)。

　　大多數(shù)應(yīng)用已經(jīng)使用ISA100對象模型，利用上面提及的原始網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，不必使用隧道技術(shù)。網(wǎng)關(guān)軟件可以將包含在原始信息中的數(shù)據(jù)傳遞給目標接收器。既然ISA100適配器具有IP地址，因此外部系統(tǒng)就可以像與其它任何IP設(shè)備交互一樣，將信息傳遞給具有該IP地址的現(xiàn)場設(shè)備。

　　智能設(shè)備上可以運行FF HSE，該協(xié)議也是基于UDP/IP的。利用已發(fā)布的、與FF協(xié)議兼容的ISA100特性， ISA100無線網(wǎng)絡(luò)能夠與任何其它運行同樣協(xié)議的設(shè)備同步交換信息和數(shù)據(jù)。