那些考慮通過無線網(wǎng)絡將現(xiàn)場設備（例如儀表和執(zhí)行器）連接到控制和監(jiān)視系統(tǒng)的工廠或設施，通常有兩個主要的無線協(xié)議可以選擇：ANSI/ISA100.11a和WirelessHART協(xié)議。兩者均被國際電工委員會（IEC）采用為全球標準（分別為IEC62734-無線通信網(wǎng)絡和通信配置文件，以及IEC62591-工業(yè)網(wǎng)絡：無線通信網(wǎng)絡和通信配置文件），并且已經使用了大約10年。

這兩種方法有許多相似之處。例如，他們使用相同的低功耗IEEE802.15.4無線電。WirelessHART的網(wǎng)狀網(wǎng)是一個自我修復和自組織的網(wǎng)絡。ISA100.11a也是自我修復的，每個節(jié)點都可以有冗余路徑，用戶指定這些管理網(wǎng)絡的路徑。然而，網(wǎng)絡組織的方式有很大不同。很大程度上取決于網(wǎng)絡形成通信路徑的方式，并使用網(wǎng)格技術，這種技術確定各個現(xiàn)場設備如何相互雙向通信。

圖1：布置在各個儀器和網(wǎng)關之間的路由器，有助于管理數(shù)據(jù)流量并最大限度地減少對網(wǎng)格的依賴。本文圖片來源：橫河電機

WirelessHART自組織

這兩種協(xié)議都起源于21世紀初，當時過程制造領域的自動化技術，正在發(fā)生巨大的變化。早年間發(fā)生的現(xiàn)場總線戰(zhàn)爭已經銷聲匿跡，但它給許多自動化供應商留下了一個深刻印象：如果因技術太復雜而無法運行，那即使具有技術優(yōu)勢，仍可能會降低實現(xiàn)商業(yè)應用的可能性。

WirelessHART出現(xiàn)在市場上，它的配置簡單、快速，這或許是希望避免與基金會現(xiàn)場總線和ProfibusPA總線類似的吐槽：它們太復雜，一般工廠人員無法輕松實施。WirelessHART協(xié)議，采用了傳統(tǒng)有線儀表HART協(xié)議的許多工具和技術，但使用無線進行通信。

WirelessHART具有自組織功能，因此網(wǎng)絡上的設備可以自動確定如何相互通信以交換數(shù)據(jù)。單個儀器的發(fā)射器可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰設備，相鄰設備拾取數(shù)據(jù)并彼此傳遞數(shù)據(jù)，直至到達網(wǎng)關。這會導致一些延遲，但這通常只是次要考慮因素。網(wǎng)絡的自組織能力是動態(tài)的，可以根據(jù)不斷變化的條件即時進行調整。該技術有效并且有其優(yōu)勢，但也存在著挑戰(zhàn)：

使WirelessHART自我管理消除了大多數(shù)外部管理工具。網(wǎng)絡創(chuàng)建自己的通信路徑，但無法實現(xiàn)手動旁路。

WirelessHART的自組織特性意味著可擴展性可能成為一個問題。任何網(wǎng)關都有處理設備的上限例如最多100個設備。自組織并不總是意味著自我優(yōu)化。它可以為給定設備找到具有足夠帶寬的通信路徑，但該通信路徑并不一定是最直接的路徑。網(wǎng)絡設計人員可以使用診斷工具來查看設備的通信方式，但WirelessHART無法指示哪些設備之間相互通信。如果所使用的路徑不太理想，則創(chuàng)建新路徑的機制需要在網(wǎng)絡中放置其它設備以允許網(wǎng)絡形成更好的路徑。添加更多設備，不一定能消除夾點或減少信號到達網(wǎng)關所需的跳數(shù)。

網(wǎng)絡根據(jù)需要調整自身的能力，為網(wǎng)絡入侵者的嘗試和探索提供了攻擊面。例如，“蟲洞”攻擊專門針對為某個目的而特設的網(wǎng)絡，即使攻擊者沒有破壞任何主機或破壞任何加密，它也可能破壞正常的通信路徑。有了防御技術，要想成功地進行攻擊并不容易，但依賴于網(wǎng)狀通信的網(wǎng)絡具有這一致命弱點。

網(wǎng)絡的物理布局可能導致它創(chuàng)建的通信路徑，往往依賴于少量策略性放置的節(jié)點，傳輸來自大量設備的數(shù)據(jù)。這些夾點（pinchpoint）可能給這些戰(zhàn)略節(jié)點帶來沉重的負擔，如果由于電池故障或路徑的某些其它中斷而丟失，就可能會切斷網(wǎng)絡的主要部分。

WirelessHART協(xié)議承認這些夾點存在的可能性及其可能的影響：首先，必須通過夾點進行通信的無線設備可能降低了通信可靠性。其次，必須通過夾點進行通信的無線設備的帶寬可能會受到限制，并且網(wǎng)絡性能可能受到不利影響。第三，作為夾點的無線設備，將消耗額外的功率來傳輸增加的消息負載。這對電池供電（導致電池壽命減少）或依賴于清潔能量的設備（例如，太陽能供電設備）尤其重要。

很多情況都會讓網(wǎng)絡出現(xiàn)夾點。例如，夾點可能是由于網(wǎng)絡設計或安裝不當、射頻（RF）環(huán)境不斷變化、網(wǎng)絡物理空間變化（影響射頻環(huán)境）以及無線設備停止服務等原因造成的。

WirelessHART網(wǎng)絡分析工具可以監(jiān)控通信路徑以及成員設備的狀態(tài)，例如電池狀況。該軟件可識別夾點已形成的位置，并向運行人員警示出現(xiàn)夾點。遺憾的是，網(wǎng)絡無法采取任何措施來糾正這種工況，因為解決方案總是涉及添加或移動設備以建立更有利的通信路徑。必須有人重新安排事情，直到網(wǎng)絡找到自己的解決方案或在另一個位置添加新的網(wǎng)關，設置可能涉及到細分網(wǎng)絡。

被管理與自組織

ISA100標準委員會的成立旨在準備一系列用于工業(yè)自動化應用的無線通信標準。ISA100第3工作組負責ISA100.11a的開發(fā)，自2013年以來，產品一直以ISA100無線品牌出貨。

更大的標準編制工作始于支持復雜制造環(huán)境的網(wǎng)絡，不僅僅涵蓋現(xiàn)場設備和儀器。該標準的創(chuàng)建者還認為，獲得最大的性能和安全性的比重，應高于過度簡化。為了滿足重要用戶所需的性能和控制，一些網(wǎng)絡規(guī)劃和管理是必要的。但這必須在不影響現(xiàn)場總線可用性的情況下完成。

可以將ISA100.11a無線儀表網(wǎng)絡設置為自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡，就像WirelessHART一樣，但它不是唯一的選擇。有更多的工具和技術可供使用，用戶可以為給定應用程序和工廠環(huán)境選擇最佳方法。

在實施ISA100.11a工程的設計階段進行簡單的規(guī)劃和思考，將大大改善網(wǎng)絡所依賴的所有無線電鏈路。了解基本的信號傳播，可以指導設備和天線的布置，避免受到復雜工廠中處處可見的鋼罐和鋼結構的影響，并避免網(wǎng)狀網(wǎng)絡的缺點。

ISA100.11a可以使用路由器作為中繼點（如圖1），而不是將大型設備組的設備都直接連接到同一網(wǎng)關，這些設備從各個無線儀器收集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關。路由器只是無線發(fā)射器，例如溫度發(fā)射器，經配置可以與網(wǎng)關進行主動通信。

這避免了在多個現(xiàn)場設備之間發(fā)送信號，而多設備間發(fā)送信號會降低數(shù)據(jù)移動速度，還會增加每個設備的功耗。通過這種方式實現(xiàn)ISA100.11a，僅在需要時用網(wǎng)狀網(wǎng)作為解決網(wǎng)絡中斷的一種手段，而不是長期處于活動狀態(tài)用于每個設備的通信。

由于不需要持續(xù)通訊，因此刷新率非常低的現(xiàn)場儀表（例如大型水箱上的液位指示器）可以長時間處于休眠狀態(tài)。由于不需要持續(xù)保持活躍狀態(tài)并與其它設備通信，因此可以節(jié)省電源。如果重大網(wǎng)絡中斷破壞了現(xiàn)場儀表與其主路由器之間的鏈路，則設備將自動聯(lián)系輔助路由器。

無線網(wǎng)絡的有效實施

最有效的做法之一是將路由器置于較高的位置，這樣網(wǎng)關就具有清晰的“視線”，并且能夠俯視各個設備（圖2）。雖然大多數(shù)無線現(xiàn)場儀表具有集成安裝的天線，但如果路由器沒有清晰的“視線”，則可能必須移動天線以避開障礙物。此外，如果單個儀器試圖發(fā)送信號到特定點，可以使用定向天線來增加信號強度。

圖2：有效的路由器布置可以使網(wǎng)絡兩端的通信更可靠。

使用網(wǎng)絡管理工具的工程師和技術人員，負責建立這些通信鏈路，這些通信鏈路一旦建立，由于設備本身安裝在某個地方，因此通常會保持靜態(tài)。也可能會中斷，例如通訊阻塞切斷了無線電鏈路，但網(wǎng)絡通常不需要不斷的進行調整。使用這些方法部署良好的ISA100.11a網(wǎng)絡，可以多年保持穩(wěn)定運行。某些薄弱設備可能需要移動天線，但這并不難于實現(xiàn)。

ISA100系列無線標準基于適用于過程工廠環(huán)境的概念。從最初開始，它就被用于煉油廠、化工廠和其它具有挑戰(zhàn)性的工況。它還涵蓋了儀器以外諸多形式的無線通信。

另一方面，WirelessHART選擇通過采用和改進現(xiàn)有技術來縮短開發(fā)工作量。雖然避免“另起爐灶”通常是一種明智的方法，但在這種情況下，旨在在不斷變化的條件下為建立某個目的而特設的網(wǎng)絡所采用的技術，在某些情況下可能會帶來一定的挑戰(zhàn)。

選擇在設施中實施哪種無線網(wǎng)絡至關重要，對于給定工況，最優(yōu)選擇取決于諸多因素。

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