那些考慮通過無線網絡將現場設備（例如儀表和執行器）連接到控制和監視系統的工廠或設施，通常有兩個主要的無線協議可以選擇：ANSI/ISA100.11a和WirelessHART協議。兩者均被國際電工委員會（IEC）采用為全球標準（分別為IEC62734-無線通信網絡和通信配置文件，以及IEC62591-工業網絡：無線通信網絡和通信配置文件），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的網狀網是一個自我修復和自組織的網絡。ISA100.11a也是自我修復的，每個節點都可以有冗余路徑，用戶指定這些管理網絡的路徑。然而，網絡組織的方式有很大不同。很大程度上取決于網絡形成通信路徑的方式，并使用網格技術，這種技術確定各個現場設備如何相互雙向通信。

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

WirelessHART自組織

這兩種協議都起源于21世紀初，當時過程制造領域的自動化技術，正在發生巨大的變化。早年間發生的現場總線戰爭已經銷聲匿跡，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，那即使具有技術優勢，仍可能會降低實現商業應用的可能性。

WirelessHART出現在市場上，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協議，采用了傳統有線儀表HART協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，因此網絡上的設備可以自動確定如何相互通信以交換數據。單個儀器的發射器可以將數據發送到相鄰設備，相鄰設備拾取數據并彼此傳遞數據，直至到達網關。這會導致一些延遲，但這通常只是次要考慮因素。網絡的自組織能力是動態的，可以根據不斷變化的條件即時進行調整。該技術有效并且有其優勢，但也存在著挑戰：

使WirelessHART自我管理消除了大多數外部管理工具。網絡創建自己的通信路徑，但無法實現手動旁路。

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，則創建新路徑的機制需要在網絡中放置其它設備以允許網絡形成更好的路徑。添加更多設備，不一定能消除夾點或減少信號到達網關所需的跳數。

網絡根據需要調整自身的能力，為網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，但依賴于網狀通信的網絡具有這一致命弱點。

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

WirelessHART協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。

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

WirelessHART網絡分析工具可以監控通信路徑以及成員設備的狀態，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夾點。遺憾的是，網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，直到網絡找到自己的解決方案或在另一個位置添加新的網關，設置可能涉及到細分網絡。

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，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境的網絡，不僅僅涵蓋現場設備和儀器。該標準的創建者還認為，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，一些網絡規劃和管理是必要的。但這必須在不影響現場總線可用性的情況下完成。

可以將ISA100.11a無線儀表網絡設置為自組織網狀網絡，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劃和思考，將大大改善網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，并避免網狀網絡的缺點。

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關，這些設備從各個無線儀器收集數據，然后將數據傳輸到網關。路由器只是無線發射器，例如溫度發射器，經配置可以與網關進行主動通信。

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

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

無線網絡的有效實施

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）。雖然大多數無線現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絡兩端的通信更可靠。

使用網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。也可能會中斷，例如通訊阻塞切斷了無線電鏈路，但網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網絡，可以多年保持穩定運行。某些薄弱設備可能需要移動天線，但這并不難于實現。

ISA100系列無線標準基于適用于過程工廠環境的概念。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有技術來縮短開發工作量。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絡所采用的技術，在某些情況下可能會帶來一定的挑戰。

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

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