現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備未來會(huì)使用統(tǒng)一的無線協(xié)議嗎？

　　無線網(wǎng)絡(luò)安全

　　用戶和供應(yīng)商都擔(dān)心安全問題，所以ISA100和WirelessHART協(xié)議利用內(nèi)置的IEEE 802.15.4無線芯片所自帶的AES-128加密算法對(duì)每條信息進(jìn)行加密。在IAS100網(wǎng)絡(luò)上，利用轉(zhuǎn)動(dòng)的加密密碼，定期改變安全密鑰，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)安全的管理。在此期間，需要一個(gè)虛擬的入侵者，攻擊網(wǎng)絡(luò)加密密鑰，這樣就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生新的密鑰，并將其分發(fā)，從而避免真正的攻擊。

　　WirelessHART將加密和數(shù)據(jù)完整性的校驗(yàn)方法限制在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所允許的8種可能方法之一，而ISA100則使用了其中6種的組合。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都默認(rèn)使用32位信息完整性校驗(yàn)碼，但是ISA100還提供了一種可組態(tài)的64位或124位信息完整校驗(yàn)碼，在有些情況下可以提供政府或準(zhǔn)政府組織所要需的更高安全等級(jí)。

　　在ISA100開發(fā)的過程中，用戶向委員會(huì)提交了對(duì)于安全方法，或提供新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（無需專門處理或物理設(shè)施就能對(duì)儀表實(shí)現(xiàn)存取）的要求。利用PKI（公共密鑰），ISA100可以實(shí)施無線安全措施，防止或允許新設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。安全性基于兩方面因素：在服務(wù)開通前，準(zhǔn)備一個(gè)白名單，確定在網(wǎng)絡(luò)中必須安裝的設(shè)備，用戶必須具有相關(guān)的283位的授權(quán)。白名單及授權(quán)文件由廠家創(chuàng)建，通過可傳輸介質(zhì)（CD, DVD, USB 閃存, SD卡等）提交給用戶，并被安裝在網(wǎng)絡(luò)安全管理器上。

　　這樣用戶就沒有必要對(duì)設(shè)備進(jìn)行排除。當(dāng)無線儀表在現(xiàn)場(chǎng)安裝以后，會(huì)自動(dòng)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的要求，申請(qǐng)成為運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的一部分。該過程是安全的，因?yàn)槭褂昧藰?biāo)準(zhǔn)的283位公共/私人密鑰方法，該方法不會(huì)通過無線傳輸任何未經(jīng)加密的加入密鑰，不采用不安全的操作程序向主系統(tǒng)傳遞密鑰，也不通過手持終端來傳遞。WirelessHART使用物理連接的手持終端來獲取網(wǎng)絡(luò)地址以及安全密鑰。ISA100通過紅外端口，也提供類似的互操作功能。

圖2 在工廠中，無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與處于重要位置的網(wǎng)關(guān)通訊。圖片來源：Honeywell

　　WirelessHART和ISA100都支持“Mesh”網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，使其能夠與建筑物中視線可及范圍內(nèi)的設(shè)備連接，為數(shù)據(jù)提供了一種比較有彈性的傳遞路徑，從而提高可靠性。但是，網(wǎng)絡(luò)用于同步控制回路時(shí)，只有ISA100能夠在限制“Mesh”網(wǎng)深度的同時(shí)還可以利用“Duocast”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的彈性數(shù)據(jù)傳遞路徑。由于在多層“Mesh”網(wǎng)中，信號(hào)在到達(dá)其目的地時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不確定的延遲，所以在限制網(wǎng)絡(luò)深度時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)路由器應(yīng)布置在單次傳輸就可到達(dá)的區(qū)域。利用彈性功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在彈性數(shù)據(jù)路徑上傳遞的信息需要保持一致。內(nèi)置于ISA100無線技術(shù)的“Duocast”特性，能夠確保在彈性數(shù)據(jù)路徑上傳遞的信息一致。WirelessHART能夠在其“Mesh”網(wǎng)上將數(shù)據(jù)傳遞給多個(gè)路由器，但不是在同一時(shí)間間隔內(nèi)。

　　當(dāng)設(shè)備需要從“Mesh”網(wǎng)上的鄰居獲取數(shù)據(jù)時(shí)，在組態(tài)中，必須考慮通過“Mesh”網(wǎng)與DCS間傳遞數(shù)據(jù)可能需要較長(zhǎng)時(shí)間的延遲。作為應(yīng)對(duì)，ISA100支持設(shè)備及其鄰近設(shè)備間的直接通訊。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的聯(lián)系包括直接的無線通訊，與應(yīng)用對(duì)象模型一起遠(yuǎn)程執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)控制邏輯，而不需要DCS的介入，這與FF HSE的現(xiàn)場(chǎng)控制類似。

　　選擇難題

　　過程控制現(xiàn)場(chǎng)儀表的用戶，在選擇安裝哪種無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)面臨著難題。他們通常有如下選擇：

　　1. 不安裝任何無線網(wǎng)絡(luò)；

　　2. 僅安裝ISA100無線網(wǎng)絡(luò)；

　　3. 僅安裝WirelessHART網(wǎng)絡(luò)；

　　4. 一般情況下，每個(gè)工廠現(xiàn)場(chǎng)的DCS系統(tǒng)都會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化到同一個(gè)平臺(tái)中，因此安裝可以與DCS集成的無線網(wǎng)絡(luò)；

　　5. 只采購(gòu)那些可以支持雙啟動(dòng)模式的設(shè)備，這樣在安裝時(shí)就可將其組態(tài)為支持兩種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；

　　6. 安裝其它標(biāo)準(zhǔn)，比如 WIA-PA, ZigBee, Wi-Fi,或?qū)Ｓ芯W(wǎng)絡(luò)。

　　每種選擇，都有其自身現(xiàn)實(shí)的考慮，用戶必須對(duì)其進(jìn)行梳理。

　　1 或 6選項(xiàng): 完全放棄使用無線現(xiàn)場(chǎng)儀表，而安裝使用其它標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，或安裝供應(yīng)商自有的網(wǎng)絡(luò)，從某種程度上講，如果想要從無線現(xiàn)場(chǎng)儀表的使用中獲益，那這種做法無疑是不利于公司利益的。無論是WirelessHART還是ISA100，都是經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)證明的，具有很強(qiáng)的安全性能，可以保護(hù)用戶隱私，預(yù)防外界入侵。

　　4選項(xiàng): 在同一個(gè)公司內(nèi)，同時(shí)安裝ISA100和WirelessHART，取決于DCS供應(yīng)商的支持，但是這犧牲了可供選擇的無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量以及可以獲得的經(jīng)驗(yàn)。

　　5選項(xiàng): 只采購(gòu)那些可以支持雙啟動(dòng)模式的設(shè)備，這些設(shè)備或者包含兩種協(xié)議，或者可以初始化為任何一種設(shè)備，這兩種方式只能滿足降低庫存的需求。但是由于對(duì)兩種網(wǎng)絡(luò)都需要支持和維護(hù)，因此這會(huì)在安裝和維護(hù)的過程中產(chǎn)生更復(fù)雜的問題。

　　2和3選項(xiàng): 單獨(dú)安裝任何一種協(xié)議的設(shè)備，都可能會(huì)限制公司為工廠現(xiàn)場(chǎng)選擇最佳DCS系統(tǒng)的能力。

　　統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)？

　　盡管儀表供應(yīng)商和一些最終用戶可能會(huì)支持通過雙啟動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，但是這不會(huì)實(shí)現(xiàn)所有最終用戶的根本需求（最終建立統(tǒng)一工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的遠(yuǎn)景目標(biāo)。在無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，ISA100有可能成為未來核心的技術(shù)，這和以太網(wǎng)TCP/IP和 Wi-Fi 成為IT網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)如出一轍。這就意味著，正如以太網(wǎng)TCP/IP和 Wi-Fi 是一種獨(dú)立于應(yīng)用的、基于因特網(wǎng)通訊的、為商業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)，ISA100是一種獨(dú)立于應(yīng)用的、基于因特網(wǎng)通訊的、為關(guān)鍵或非關(guān)鍵的工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)。只要應(yīng)用使用的是基于IP協(xié)議的通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，就可以在任何標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)上傳遞，前提是有足夠的帶寬分配給該任務(wù)。這已經(jīng)在滿足自動(dòng)化工業(yè)的某些特定需求方面獲得應(yīng)用。

　　而且，和以太網(wǎng)TCP/IP一樣，ISA100的應(yīng)用獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)硬件。隨著技術(shù)的發(fā)展，ISA100無線協(xié)議也隨之發(fā)展，而不需要對(duì)基于這些網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用做改動(dòng)。

　　設(shè)備供應(yīng)商希望能夠滿足客戶的需求，同時(shí)保持價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)力?？蛻粢话銊t希望能夠從解決短期問題開始，但是大多數(shù)同時(shí)還希望能夠?yàn)檫^程自動(dòng)化開發(fā)出一種遠(yuǎn)期的架構(gòu)。由于在早期產(chǎn)品中得到應(yīng)用，因此WirelessHART目前可以滿足短期需求，但是現(xiàn)在，有多個(gè)最終用戶組織開始意識(shí)到這樣一個(gè)事實(shí)：ISA100無線協(xié)議單獨(dú)就可以滿足遠(yuǎn)期無線架構(gòu)的需求。

　　未來的趨勢(shì)：開放、智能

　　早期無線儀表用戶，關(guān)注的是從某些區(qū)域獲得過程數(shù)據(jù)，而這些區(qū)域要么無法接線，要么雖然可以接線，但是費(fèi)用比較高，或者是沒有任何協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用。

　　決定使用WirelessHART來實(shí)現(xiàn)工廠無線網(wǎng)絡(luò)的用戶，將不得不依賴這樣一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：基本沒有智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，沒有實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制的可能性，因而也無法從中獲益。他們的DCS系統(tǒng)必須完成所有的信號(hào)處理和閉環(huán)控制。ISA100同樣可以連接到這些HART現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但是由于是開放的網(wǎng)絡(luò)，使其可以在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件具備時(shí)，與之實(shí)現(xiàn)同步雙向無線傳輸數(shù)據(jù)，而不需要對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)做任何改變。我們知道，目前的趨勢(shì)是使用帶智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和高度同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇F網(wǎng)絡(luò)。

　　領(lǐng)先的用戶已經(jīng)意識(shí)到，無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不僅僅必須是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而且還必須適用于苛刻的應(yīng)用環(huán)境，比如在現(xiàn)場(chǎng)儀表中的無線FF和以太網(wǎng)服務(wù)器。只有高度安全的基于IP的協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)該功能。也許ISA100無線協(xié)議更能夠滿足這些需求。