現場(chǎng)設備未來(lái)會(huì )使用統一的無(wú)線(xiàn)協(xié)議嗎？

　　正如在2000年左右，有線(xiàn)通訊標準所處的形勢一樣，目前在無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)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(lái)都非常相似，因為都是基于IEEE 802.15.4發(fā)射芯片；但實(shí)際上它們非常不同，無(wú)法相互兼容。WirelessHART，由HART通訊基金會(huì )設計，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，盡可能簡(jiǎn)單地傳輸HART數據，并可通過(guò)常見(jiàn)的HART工具和方法來(lái)安裝和管理數據。ISA100無(wú)線(xiàn)則是由來(lái)自超過(guò)250個(gè)國家的專(zhuān)家所組成的一個(gè)開(kāi)放標準組織設計，是一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的電信協(xié)議，用于過(guò)程數據的輸出，無(wú)論是現有的設備，還是未來(lái)的、現在還沒(méi)有發(fā)明出來(lái)的應用上，都可以利用。它的設計主要是為了實(shí)現高效的HART傳輸，尤其是傳輸任何使用IEC 61804 (EDDL)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)數據對象。

　　圖1 在某煉油應用中，多個(gè)現場(chǎng)溫度變送器可以同時(shí)處理多個(gè)溫度探頭。圖片來(lái)源：Yokogawa

　　無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表協(xié)議的標準之爭

　　導致無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表協(xié)議沒(méi)能獲得更大范圍認可的一個(gè)問(wèn)題是：大多數新建工廠(chǎng)和大型現代化項目目前使用的都是基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)，一種有線(xiàn)、全數字網(wǎng)絡(luò )，高度智能化的現場(chǎng)儀表總線(xiàn)。所以盡管WirelessHART和ISA100無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)ROM（遠程操作管理器：一種現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )類(lèi)型的網(wǎng)關(guān)）在彼此網(wǎng)絡(luò )間實(shí)現簡(jiǎn)單的數據交換，但是，一個(gè)真正智能化的無(wú)線(xiàn)版本的FF，而不是無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表，仍然不存在?，F場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )還沒(méi)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(wú)線(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò )的FF HSE（高速以太網(wǎng)）。目前沒(méi)有任何FF HSE無(wú)線(xiàn)版本，能夠連接由供應商提供或認證的設備。

　　用戶(hù)們知道，在所有無(wú)線(xiàn)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(hù)擔心的是，經(jīng)常出現這樣的情況：他們喜歡的現場(chǎng)儀表供應商所支持的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，和他們喜歡的DCS供應商所支持的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，并不一致。用戶(hù)期待供應商能夠解決這個(gè)問(wèn)題，而不是使其變得更糟。缺乏統一的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，或者獲得廣泛工業(yè)實(shí)踐認可的協(xié)議，導致用戶(hù)對無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)儀表的接受程度比較低。當然了，在一些無(wú)線(xiàn)優(yōu)勢比較明顯以及非快速控制回路的應用上是個(gè)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(huì )對該平臺的描述中所說(shuō)的，“WirelessHART技術(shù)允許用戶(hù)從這些已經(jīng)安裝的智能HART設備上獲得更多的未使用的信息。”

　　很明顯，ISA100主要用于實(shí)現與智能過(guò)程控制現場(chǎng)儀表的通訊，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單方便的組態(tài)就能滿(mǎn)足高性能要求。 根據標準的規定，在準備ISA100無(wú)線(xiàn)設備時(shí)，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(chēng)之為路由屬性，這些屬性已經(jīng)被優(yōu)化，可用于保護過(guò)程控制現場(chǎng)儀表的“Mesh”網(wǎng)絡(luò )。

　　因此，無(wú)線(xiàn)過(guò)程控制儀表用戶(hù)不需要為新無(wú)線(xiàn)儀表組態(tài)，以滿(mǎn)足該標準任何選項的要求。其它無(wú)線(xiàn)設備廠(chǎng)家也許有專(zhuān)門(mén)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備所定義的I/O配置，或者需要對其它的ISA100特性做調整以滿(mǎn)足它們的要求?？蛻?hù)定制版本的ISA100可以依據路由配置實(shí)現與現場(chǎng)儀表的相互操作，這是可以保證并經(jīng)過(guò)合規測試的。但是ISA100無(wú)線(xiàn)配置的調整，則不是客戶(hù)需要考慮的問(wèn)題。

　　在ISA100的設計過(guò)程中使用的基本需求集，與很多年前在設計FF過(guò)程中使用的基本需求集一樣。無(wú)論是ISA100，還是FF，其結構的根本是點(diǎn)對點(diǎn)通訊，而不需要主機或網(wǎng)關(guān)中繼。ISA100和FF設備都有同步時(shí)鐘，以支持智能網(wǎng)絡(luò )設備中的時(shí)序安排。ISA100設備同步時(shí)鐘的精度可達± 1.0 ms。這是為了滿(mǎn)足電網(wǎng)用戶(hù)對事后停機序列分析的需求而設置的。

　　例如，大多數過(guò)程控制現場(chǎng)儀表每秒鐘采樣一次（1Hz），這對于監視和大多數閉環(huán)控制已經(jīng)足夠了。ISA100可以將這些打上時(shí)標的數據，傳遞給實(shí)現這些控制功能的DCS系統。WirelessHART沒(méi)有時(shí)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(guò)每秒一次的同步響應。典型的蒸餾塔控制所需的數據刷新速度為秒鐘2-4次。為滿(mǎn)足該功能，應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(shí)間。ISA100支持最大100ms的延遲，以及為了使數據能夠在單個(gè)周期中就可以到達控制器且沒(méi)有不確定的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)所必須的現場(chǎng)Backhaul路由器。

　　在實(shí)際應用中，如果流量控制的頻率要求大于4Hz，用戶(hù)就有必要配置ISA100數據鏈層，該數據數據鏈層最快的處理速度可達12Hz，這是目前設計的極限，可以滿(mǎn)足用戶(hù)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 )建現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )互操作測試不支持的新功能塊。

　　對復雜數據的傳輸

　　在現場(chǎng)分析儀表領(lǐng)域的應用，也許需要傳輸較長(cháng)的數據序列，這些數據無(wú)法分成較短的信息，以便在10ms周期內完成傳輸。因此，包含無(wú)線(xiàn)數據分析儀的網(wǎng)絡(luò )單元，可以使用ISA100協(xié)議以便傳遞較長(cháng)的數據信息。這些應用可以將信息分割成小于90個(gè)字節的數據，從而可以節省寬帶資源。ISA100支持將分段的長(cháng)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(guò)分簡(jiǎn)化，因此并不適用于高效傳遞長(cháng)信息，而是將分割和重組長(cháng)信息的責任留給了應用程序。將其置身于標準及合規測試之外，使得眾多的廠(chǎng)家開(kāi)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場(chǎng)設備和網(wǎng)關(guān)之間的“隧道”技術(shù)，這樣即使設備使用的數據協(xié)議與ISA100的大不相同，該技術(shù)也能使其具有在整個(gè)ISA100無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳遞任何數據流的能力。作為優(yōu)先選擇的方法，面向對象的ISA100應用層具有已激活的無(wú)線(xiàn)適配器，可以利用ISA100對象模型和服務(wù)，產(chǎn)生簡(jiǎn)單、有效的信息。該設備可以?xún)戎肐SA100，也可以使用適配器，以設備最原始的形式比如：Modbus、 DeviceNet、 ControlNet、 EtherNet/IP、 Profibus和 HART等協(xié)議來(lái)完成通訊，并將信息封裝，通過(guò)ISA100無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將其傳遞給網(wǎng)關(guān)。

　　大多數應用已經(jīng)使用ISA100對象模型，利用上面提及的原始網(wǎng)絡(luò )協(xié)議傳遞數據，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據傳遞給目標接收器。既然ISA100適配器具有IP地址，因此外部系統就可以像與其它任何IP設備交互一樣，將信息傳遞給具有該IP地址的現場(chǎng)設備。

　　智能設備上可以運行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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能夠與任何其它運行同樣協(xié)議的設備同步交換信息和數據。