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ANSI/ISA 100.11a和WirelessHART:自组织与自管理的工业无线网络

来源:控制工程网2019.05.15阅读 231

  那些考虑通过无线网络将现场设备(例如仪表和执行器)连接到控制和监视系统的工厂或设施,通常有两个主要的无线协议可以选择:ANSI/ISA 100.11a和WirelessHART协议。两者均被国际电工委员会(IEC)采用为全球标准(分别为IEC 62734-无线通信网络和通信配置文件,以及IEC 62591-工业网络:无线通信网络和通信配置文件),并且已经使用了大约10年。
  这两种方法有许多相似之处。例如,他们使用相同的低功耗IEEE 802.15.4无线电。WirelessHART的网状网是一个自我修复和自组织的网络。ISA100.11a也是自我修复的,每个节点都可以有冗余路径,用户指定这些管理网络的路径。然而,网络组织的方式有很大不同。很大程度上取决于网络形成通信路径的方式,并使用网格技术,这种技术确定各个现场设备如何相互双向通信。

图1:布置在各个仪器和网关之间的路由器,有助于管理数据流量并最大限度地减少对网格的依赖。本文图片来源:横河电机

  WirelessHART自组织
  这两种协议都起源于21世纪初,当时过程制造领域的自动化技术,正在发生巨大的变化。早年间发生的现场总线战争已经销声匿迹,但它给许多自动化供应商留下了一个深刻印象:如果因技术太复杂而无法运行控制工程网版权所有,那即使具有技术优势,仍可能会降低实现商业应用的可能性。
  WirelessHART出现在市场上,它的配置简单、快速,这或许是希望避免与基金会现场总线和Profibus PA总线类似的吐槽:它们太复杂,一般工厂人员无法轻松实施。WirelessHART协议CONTROL ENGINEERING China版权所有,采用了传统有线仪表HART协议的许多工具和技术,但使用无线进行通信。
  WirelessHART具有自组织功能,因此网络上的设备可以自动确定如何相互通信以交换数据。单个仪器的发射器可以将数据发送到相邻设备,相邻设备拾取数据并彼此传递数据,直至到达网关。这会导致一些延迟,但这通常只是次要考虑因素。网络的自组织能力是动态的,可以根据不断变化的条件即时进行调整。该技术有效并且有其优势,但也存在着挑战:
  使WirelessHART自我管理消除了大多数外部管理工具。网络创建自己的通信路径,但无法实现手动旁路。
  WirelessHART的自组织特性意味着可扩展性可能成为一个问题。任何网关都有处理设备的上限例如最多100个设备。自组织并不总是意味着自我优化。它可以为给定设备找到具有足够带宽的通信路径,但该通信路径并不一定是最直接的路径。网络设计人员可以使用诊断工具来查看设备的通信方式控制工程网版权所有,但WirelessHART无法指示哪些设备之间相互通信。如果所使用的路径不太理想,则创建新路径的机制需要在网络中放置其它设备以允许网络形成更好的路径。添加更多设备,不一定能消除夹点或减少信号到达网关所需的跳数。
  网络根据需要调整自身的能力,为网络入侵者的尝试和探索提供了攻击面。例如,“虫洞”攻击专门针对为某个目的而特设的网络,即使攻击者没有破坏任何主机或破坏任何加密,它也可能破坏正常的通信路径。有了防御技术,要想成功地进行攻击并不容易,但依赖于网状通信的网络具有这一致命弱点。
  网络的物理布局可能导致它创建的通信路径,往往依赖于少量策略性放置的节点,传输来自大量设备的数据。这些夹点(pinch point)可能给这些战略节点带来沉重的负担,如果由于电池故障或路径的某些其它中断而丢失,就可能会切断网络的主要部分。
  WirelessHART协议承认这些夹点存在的可能性及其可能的影响:首先,必须通过夹点进行通信的无线设备可能降低了通信可靠性。其次,必须通过夹点进行通信的无线设备的带宽可能会受到限制,并且网络性能可能受到不利影响。第三,作为夹点的无线设备,将消耗额外的功率来传输增加的消息负载。这对电池供电(导致电池寿命减少)或依赖于清洁能量的设备(例如,太阳能供电设备)尤其重要。
  很多情况都会让网络出现夹点。例如,夹点可能是由于网络设计或安装不当、射频(RF)环境不断变化、网络物理空间变化(影响射频环境)以及无线设备停止服务等原因造成的。
  WirelessHART网络分析工具可以监控通信路径以及成员设备的状态,例如电池状况。该软件可识别夹点已形成的位置,并向运行人员警示出现夹点。遗憾的是,网络无法采取任何措施来纠正这种工况,因为解决方案总是涉及添加或移动设备以建立更有利的通信路径。必须有人重新安排事情控制工程网版权所有,直到网络找到自己的解决方案或在另一个位置添加新的网关,设置可能涉及到细分网络。
  被管理与自组织
  ISA100标准委员会的成立旨在准备一系列用于工业自动化应用的无线通信标准。ISA100第3工作组负责ISA100.11a的开发,自2013年以来,产品一直以ISA100 无线品牌出货。
  更大的标准编制工作始于支持复杂制造环境的网络,不仅仅涵盖现场设备和仪器。该标准的创建者还认为,获得最大的性能和安全性的比重,应高于过度简化。为了满足重要用户所需的性能和控制,一些网络规划和管理是必要的。但这必须在不影响现场总线可用性的情况下完成。
  可以将ISA100.11a无线仪表网络设置为自组织网状网络,就像WirelessHART一样CONTROL ENGINEERING China版权所有,但它不是唯一的选择。有更多的工具和技术可供使用,用户可以为给定应用程序和工厂环境选择最佳方法。
  在实施ISA100.11a工程的设计阶段进行简单的规划和思考,将大大改善网络所依赖的所有无线电链路。了解基本的信号传播,可以指导设备和天线的布置,避免受到复杂工厂中处处可见的钢罐和钢结构的影响,并避免网状网络的缺点。
  ISA100.11a可以使用路由器作为中继点(如图1),而不是将大型设备组的设备都直接连接到同一网关,这些设备从各个无线仪器收集数据,然后将数据传输到网关。路由器只是无线发射器,例如温度发射器,经配置可以与网关进行主动通信。
  这避免了在多个现场设备之间发送信号,而多设备间发送信号会降低数据移动速度,还会增加每个设备的功耗。通过这种方式实现ISA100.11a,仅在需要时用网状网作为解决网络中断的一种手段,而不是长期处于活动状态用于每个设备的通信。
  由于不需要持续通讯,因此刷新率非常低的现场仪表(例如大型水箱上的液位指示器)可以长时间处于休眠状态。由于不需要持续保持活跃状态并与其它设备通信,因此可以节省电源。如果重大网络中断破坏了现场仪表与其主路由器之间的链路,则设备将自动联系辅助路由器。
  无线网络的有效实施
  最有效的做法之一是将路由器置于较高的位置,这样网关就具有清晰的“视线”,并且能够俯视各个设备(图2)。虽然大多数无线现场仪表具有集成安装的天线,但如果路由器没有清晰的“视线”,则可能必须移动天线以避开障碍物。此外,如果单个仪器试图发送信号到特定点,可以使用定向天线来增加信号强度。

图2:有效的路由器布置可以使网络两端的通信更可靠。

  使用网络管理工具的工程师和技术人员,负责建立这些通信链路,这些通信链路一旦建立,由于设备本身安装在某个地方,因此通常会保持静态。也可能会中断,例如通讯阻塞切断了无线电链路,但网络通常不需要不断的进行调整。使用这些方法部署良好的ISA100.11a网络,可以多年保持稳定运行。某些薄弱设备可能需要移动天线,但这并不难于实现。
  ISA100系列无线标准基于适用于过程工厂环境的概念。从最初开始,它就被用于炼油厂、化工厂和其它具有挑战性的工况。它还涵盖了仪器以外诸多形式的无线通信。
  另一方面,WirelessHART选择通过采用和改进现有技术来缩短开发工作量。虽然避免“另起炉灶”通常是一种明智的方法,但在这种情况下,旨在在不断变化的条件下为建立某个目的而特设的网络所采用的技术,在某些情况下可能会带来一定的挑战。
  选择在设施中实施哪种无线网络至关重要,对于给定工况,最优选择取决于诸多因素。(作者:Kinichi Kitano)  

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