那些考慮通過無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(shè)施，通常有兩個(gè)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）采用為全球標(biāo)準(zhǔn)（分別為IEC62734-無線通信網(wǎng)絡(luò)和通信配置文件，以及IEC62591-工業(yè)網(wǎng)絡(luò)：無線通信網(wǎng)絡(luò)和通信配置文件），并且已經(jīng)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(gè)自我修復(fù)和自組織的網(wǎng)絡(luò)。ISA100.11a也是自我修復(fù)的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以有冗余路徑，用戶指定這些管理網(wǎng)絡(luò)的路徑。然而，網(wǎng)絡(luò)組織的方式有很大不同。很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)形成通信路徑的方式，并使用網(wǎng)格技術(shù)，這種技術(shù)確定各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如何相互雙向通信。

圖1：布置在各個(gè)儀器和網(wǎng)關(guān)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(duì)網(wǎng)格的依賴。本文圖片來源：橫河電機(jī)

WirelessHART自組織

這兩種協(xié)議都起源于21世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)過程制造領(lǐng)域的自動(dòng)化技術(shù)，正在發(fā)生巨大的變化。早年間發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)總線戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)銷聲匿跡，但它給許多自動(dòng)化供應(yīng)商留下了一個(gè)深刻印象：如果因技術(shù)太復(fù)雜而無法運(yùn)行，那即使具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，仍可能會(huì)降低實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的可能性。

WirelessHART出現(xiàn)在市場(chǎng)上，它的配置簡(jiǎn)單、快速，這或許是希望避免與基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線和ProfibusPA總線類似的吐槽：它們太復(fù)雜，一般工廠人員無法輕松實(shí)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(shù)，但使用無線進(jìn)行通信。

WirelessHART具有自組織功能，因此網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以自動(dòng)確定如何相互通信以交換數(shù)據(jù)。單個(gè)儀器的發(fā)射器可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到相鄰設(shè)備，相鄰設(shè)備拾取數(shù)據(jù)并彼此傳遞數(shù)據(jù)，直至到達(dá)網(wǎng)關(guān)。這會(huì)導(dǎo)致一些延遲，但這通常只是次要考慮因素。網(wǎng)絡(luò)的自組織能力是動(dòng)態(tài)的，可以根據(jù)不斷變化的條件即時(shí)進(jìn)行調(diào)整。該技術(shù)有效并且有其優(yōu)勢(shì)，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(luò)創(chuàng)建自己的通信路徑，但無法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)旁路。

WirelessHART的自組織特性意味著可擴(kuò)展性可能成為一個(gè)問題。任何網(wǎng)關(guān)都有處理設(shè)備的上限例如最多100個(gè)設(shè)備。自組織并不總是意味著自我優(yōu)化。它可以為給定設(shè)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(luò)設(shè)計(jì)人員可以使用診斷工具來查看設(shè)備的通信方式，但WirelessHART無法指示哪些設(shè)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(jī)制需要在網(wǎng)絡(luò)中放置其它設(shè)備以允許網(wǎng)絡(luò)形成更好的路徑。添加更多設(shè)備，不一定能消除夾點(diǎn)或減少信號(hào)到達(dá)網(wǎng)關(guān)所需的跳數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要調(diào)整自身的能力，為網(wǎng)絡(luò)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(duì)為某個(gè)目的而特設(shè)的網(wǎng)絡(luò)，即使攻擊者沒有破壞任何主機(jī)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(shù)，要想成功地進(jìn)行攻擊并不容易，但依賴于網(wǎng)狀通信的網(wǎng)絡(luò)具有這一致命弱點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)的物理布局可能導(dǎo)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(diǎn)，傳輸來自大量設(shè)備的數(shù)據(jù)。這些夾點(diǎn)（pinchpoint）可能給這些戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)帶來沉重的負(fù)擔(dān)，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(huì)切斷網(wǎng)絡(luò)的主要部分。

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

很多情況都會(huì)讓網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)夾點(diǎn)。例如，夾點(diǎn)可能是由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)、射頻（RF）環(huán)境不斷變化、網(wǎng)絡(luò)物理空間變化（影響射頻環(huán)境）以及無線設(shè)備停止服務(wù)等原因造成的。

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)分析工具可以監(jiān)控通信路徑以及成員設(shè)備的狀態(tài)，例如電池狀況。該軟件可識(shí)別夾點(diǎn)已形成的位置，并向運(yùn)行人員警示出現(xiàn)夾點(diǎn)。遺憾的是，網(wǎng)絡(luò)無法采取任何措施來糾正這種工況，因?yàn)榻鉀Q方案總是涉及添加或移動(dòng)設(shè)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(luò)找到自己的解決方案或在另一個(gè)位置添加新的網(wǎng)關(guān)，設(shè)置可能涉及到細(xì)分網(wǎng)絡(luò)。

被管理與自組織

ISA100標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的成立旨在準(zhǔn)備一系列用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。ISA100第3工作組負(fù)責(zé)ISA100.11a的開發(fā)，自2013年以來，產(chǎn)品一直以ISA100無線品牌出貨。

更大的標(biāo)準(zhǔn)編制工作始于支持復(fù)雜制造環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)，不僅僅涵蓋現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀器。該標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建者還認(rèn)為，獲得最大的性能和安全性的比重，應(yīng)高于過度簡(jiǎn)化。為了滿足重要用戶所需的性能和控制，一些網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理是必要的。但這必須在不影響現(xiàn)場(chǎng)總線可用性的情況下完成。

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

在實(shí)施ISA100.11a工程的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行簡(jiǎn)單的規(guī)劃和思考，將大大改善網(wǎng)絡(luò)所依賴的所有無線電鏈路。了解基本的信號(hào)傳播，可以指導(dǎo)設(shè)備和天線的布置，避免受到復(fù)雜工廠中處處可見的鋼罐和鋼結(jié)構(gòu)的影響，并避免網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。

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

這避免了在多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間發(fā)送信號(hào)，而多設(shè)備間發(fā)送信號(hào)會(huì)降低數(shù)據(jù)移動(dòng)速度，還會(huì)增加每個(gè)設(shè)備的功耗。通過這種方式實(shí)現(xiàn)ISA100.11a，僅在需要時(shí)用網(wǎng)狀網(wǎng)作為解決網(wǎng)絡(luò)中斷的一種手段，而不是長(zhǎng)期處于活動(dòng)狀態(tài)用于每個(gè)設(shè)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(chǎng)儀表（例如大型水箱上的液位指示器）可以長(zhǎng)時(shí)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(shè)備通信，因此可以節(jié)省電源。如果重大網(wǎng)絡(luò)中斷破壞了現(xiàn)場(chǎng)儀表與其主路由器之間的鏈路，則設(shè)備將自動(dòng)聯(lián)系輔助路由器。

無線網(wǎng)絡(luò)的有效實(shí)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(guān)就具有清晰的“視線”，并且能夠俯視各個(gè)設(shè)備（圖2）。雖然大多數(shù)無線現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)天線以避開障礙物。此外，如果單個(gè)儀器試圖發(fā)送信號(hào)到特定點(diǎn)，可以使用定向天線來增加信號(hào)強(qiáng)度。

圖2：有效的路由器布置可以使網(wǎng)絡(luò)兩端的通信更可靠。

使用網(wǎng)絡(luò)管理工具的工程師和技術(shù)人員，負(fù)責(zé)建立這些通信鏈路，這些通信鏈路一旦建立，由于設(shè)備本身安裝在某個(gè)地方，因此通常會(huì)保持靜態(tài)。也可能會(huì)中斷，例如通訊阻塞切斷了無線電鏈路，但網(wǎng)絡(luò)通常不需要不斷的進(jìn)行調(diào)整。使用這些方法部署良好的ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)，可以多年保持穩(wěn)定運(yùn)行。某些薄弱設(shè)備可能需要移動(dòng)天線，但這并不難于實(shí)現(xiàn)。

ISA100系列無線標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)現(xiàn)有技術(shù)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(gè)目的而特設(shè)的網(wǎng)絡(luò)所采用的技術(shù)，在某些情況下可能會(huì)帶來一定的挑戰(zhàn)。

選擇在設(shè)施中實(shí)施哪種無線網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，對(duì)于給定工況，最優(yōu)選擇取決于諸多因素。

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