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有没有一种通用的现场设备无线通讯协议?
发布时间:2015-04-16     作者:Dick Caro CMC 联合公司
摘要:一个现场总线协议的出现使其成为过程应用的主导解决方案,并使我们的工业系统从中获益。或许相同的事情也会发生在无线现场设备上。

 制造工业不会立即采用新的技术。相反的,他们一般逐步地有条不紊地开始新的应用,而且只要该应用涉及的科技所带来的好处足够克服其根本不能工作或不能稳定工作所带来的风险就可以。许多用户通常会在一些非关键工艺的实验装置上测试新技术。在运行成功以及带来足够经济激励以后,新科技会被指定在供货商提供技术支持区域内的新建工厂中使用。作为结果,新科技会被指定在新建工厂、重点改造和现代化项目中使用,最终成为行业规范。基金会现场总线(FF)就经历过这个模式,早在1996年,这项基础科技就成为一个标准,经历了将近20年,它成为了行业规范并应用于新工厂建设和连续流程工业的现代化改造上,例如石油加工、石油化工以及化工制造。
  类似2000年有线过程控制通讯标准的情形,如今也有直接互相竞争的不同无线现场仪表通讯标准:IEC 62734(ISA100.11a)和IEC 62591(WirelessHART)。这两个标准看起来很类似,因为他们都是基于相同的IEEE 802.15.4 射频芯片,可是实际上他们又截然不同且不能互相兼容。WirelessHART是由HART通讯基金会设计的,其目的是专为实现以最简单的方式将HART数据通过无线网络传输,且使用人们熟悉的HART工具和方式来完成安装和管理。ISA100无线标准的设计是由超过250个国家的技术专家组成的开放标准组织完成的,其目的是建立一套基于互联网的无线通信协议,不仅适用于当今的过程控制数据,而且也适用于还没有发明出来的未来应用。该设计高效的传输HART以及实际上任何使用IEC 61804(EDDL)标准的现场总线数据。
  现场总线案例分析
  拖延无线现场仪表广泛应用的一个主要问题是大多数新建工厂和主要现代化项目现在采用基金会现场总线,它是一个连接非常智能现场仪表的全数字化有线网络。尽管WirelessHART和ISA100无线网络都可以通过一台符合基金会现场总线规范的网关ROM(远程操作管理器)在两个无线网络之间传输简单的数据,但是可以替代基金会现场总线的无线产品或FF H1版本还没有出现。然而,真正的可以连接同样智能的无线现场仪表的无线版本FF还没出现。还未通过基金会现场总线测试的FF HSE(高速以太网)可以在Wi-Fi环境下工作,同样的HSE协议可以在基于IP的ISA100的无线网络环境下工作。目前还没有任何供应商提供或注册与FF HSE相连接的无线设备。
  用户很担心主要的一些仪表公司实际上采用两种互相竞争的无线网络标准。更大的担心是用户经常发现他们喜欢的现场仪表供应商采用的无线网络不能与他们喜欢的DCS供应商采用的无线网络标准兼容。用户依赖供应商来解决这样的问题,事实上供应商必须为用户带来解决方案而不是问题。由于缺少一个统一的无线网络规范或被广泛接受的行业惯例,阻碍了用户接受无线现场仪表,只有在无线设备具有绝对的优势或者不需要快速控制回路的场合才会有一些应用。


北京pk10赛车图1 :精炼厂里使用多个现场温度传感器可以处理不止一个探针。文中图片来源:横河电机

 ISA100与WirelessHART对比
  ISA100凭借什么特色优势使其成为新建过程控制应用在无线网络方面的更好选择?HART通讯基金会在关于其无线平台的描述中讲到:“WirelessHART技术可以让用户获取那些已安装HART智能设备内部的大量未被使用的隐藏数据。”
  ISA100的设计是明确为了智能过程控制现场仪表的通讯以及简化设置从而达到一系列特殊的高性能要求。在制备一台标准中所规定的ISA100无线设备时,可能有很多可配置的选项供选择。这些选择的默认值已经在标准中出现并被称为路由器配置文件,它已经被优化并保证过程控制现场仪表的网状网络的安全。
  因此,用户使用无线过程控制现场仪表不需要根据该标准的任何选项来配置新装无线仪表。其他无线设备生产商可能会有特定的成本、性能或安全方面的需求,因此也许会使用在标准中为低成本设备所规定的I/O配置文件,或者也许会为了满足他们的个性化需求而要求调整到其他ISA100版本。个性化的ISA100版本确保通过兼容性测试,可以与满足路由器配置文件的现场仪表互相操作,但是用户不需要担心ISA100无线配置文件的调整。
  在ISA100的设计过程中,使用的一套最基本的需求恰恰与多年以前设计FF时所用的需求是一样的。ISA100和FF架构的共同核心之处在于不需要主机或网关即可进行点对点数据传输。ISA100和FF设备都具有实时同步的时钟,用来支持智能网络设备内部的时间表任务。ISA100设备的实时同步时钟的精度可以达到± 1.0 毫秒。这样的时钟精度对于支持电力工业用户完成事后跳闸顺序分析也是必要的。
  例如,绝大多数过程控制现场仪表每秒钟采样一次(1Hz),这对于监控和绝大多数闭环控制是足够的。ISA100可以在将这些数据传输到进行这些控制的DCS的同时保持同步时间精度。WirelessHART不具备时间同步功能。当流量控制需要配置到数据更新快于每秒钟一次,只有ISA100提供的数据可以满足同步响应频率大于每秒钟一次。典型的蒸馏柱流量控制要求数据的扫描更新频率为每秒钟2-4次。为了满足这样的性能需要,采集数据用的流量传感器应该配置在具有最小网格划分的网络中,才能保证采样时间同步。ISA100确定支持最大100毫秒的延迟,并且要采用现场回程路由器保证数据只经过单跳就到达控制器,免去网状网络所带来的不确定延迟。
北京pk10赛车  对于某些应用的要求甚至高于流量控制的4Hz时,用户应该需要对ISA100的数据链接层进行配置,可以满足高达12Hz的处理频率,这是当前设计的极限值。ISA100的优势在于用户拥有这个选项而不需要修改协议或者创建新的却不被基金会现场总线互操作性试验所支持的功能块。


图2 :无线现场设备与安装在工厂各个关键位置上的网关进行通讯。
文中图片来源:霍尼韦尔过程解决方案

 解决进退两难的困境
  过程控制现场仪表用户面临着不知该选择安装谁的无线网络的两难境地。他们面临的选择有:
  1.不安装任何无线现场仪表;
  2.只安装ISA100无线设备;
  3.只安装WirelessHART设备;
  4.由于每个工厂现场一般都统一采购同一个DCS制造商的产品,那么安装可以与DCS集成的无线网络;
  5.只采购具有双配置的设备,安装时进行配置从而可以满足任意一个标准;
  6.安装其他标准,例如WIA-PA,ZigBee,Bluetooth, Wi-Fi或者专有网络。
  每一个选择都需要用户根据实际情况进行具体考虑。
  1或6:如果一个公司想要受益于标准的无线现场仪表,那么完全排除无线现场仪表、安装另外一种标准或安装供货商专有的网络的做法都违背了公司的利益。WirelessHART和ISA100都已经被实践证明可以为用户保护隐私和防止入侵提供很强的安全防护。
  4:在同一个公司里同时安装ISA100和WirelessHART,并且依赖DCS供应商的服务支持就无法获得选用某一种无线网络所带来的经验和规模效应。
  5:只采购具有两种协议或可以初始设定为任意一种协议的双配置设备,只会满足减少库存的需要。由于需要了解并维护两个网络,这种做法会在实际安装和维护过程中会产生非常复杂的问题。
  2和3:选择安装其中任意一个标准都限制了公司为工厂选择最佳DCS的能力,而且如果所选网络不能最终成为无线网络规范,将使工厂过时。
  能否有一个统一的网络规范?
  尽管有一些仪表供应商和最终用户被双配置方式吸引并为其双网络提供支持,这并不能带来长久有效的行业规范,而行业规范的建立是所有最终用户最根本的要求。ISA100会成为未来无线工业网络科技的核心,如同以太网TCP/IP和Wi-Fi已经成为IT网络的规范一样。ISA100完全是建立在成熟的网络标准基础上。这意味着ISA100是一个不依赖于应用场合、基于互联网的通信网络,适用于关键和非关键的工业自动化环境,就像以太网TCP/IP和Wi-Fi是为商业网络设计的不依赖于应用场合的基于互联网的通信方式。只要某些应用是使用基于IP协议的通用网络标准来建立的,它们就可以通过ISA100这样的标准网络进行传输,前提条件就是有完成这些任务所需的足够带宽以及该网络已经为满足自动化行业的特性需求做出了合适的调整。
  不仅如此,ISA100也像以太网TCP/IP一样不依赖于网络硬件。伴随着微处理器和通讯半导体技术的发展以及频率分配的变化,ISA100无线不需要对该网络技术中运行的各种应用进行任何修改即可完成这些转换过程。如果通过历史可以很好的预测未来的发展趋势,无线网络技术注定会更经济、更省电且更快。随着工业效用的增长,ISA100会很自然的在新的无线网络技术浪潮中占有重要位置。
  过程控制设备制造商主要关心的是满足用户需求和降低产品成本使其价格具有竞争力。客户经常需要从解决短期问题着手,但是大多数也希望为了满足他们对过程自动化的需求而开发一套长期有效的系统架构。由于其产品推出的比较早,WirelessHART已经可以满足一些短期需求,但是几个最终用户组织现在已经认识到ISA100无线网络本身就可以满足长期无线架构的需求。
  结论
  早期无线过程控制仪表的用户们的应用需求集中在从那些接线太昂贵或不可能接线的地点获取过程数据。大多数这样的应用可以通过WirelessHART或ISA100无线得到满足,而且现在已经被实践证明并完成了他们的目标。
  决定使用WirelessHART作为他们工厂的无线网络的用户们使自己身陷一种控制网络架构,这种网络的现场设备几乎不智能而且不可能CiF它的效益。他们的DCS必须承担所有信号处理和闭环控制的工作。ISA100当然同样可以与这些HART现场设备连接,而且当全功能(智能)现场设备安装好以后,ISA100在不需要改变基本网络的情况下利用其开放架构可以完成双向无线数据同步传输。并且我们知道现在有很强的趋势朝着配有智能现场设备的FF和高度同步数据传输的方向发展。
北京pk10赛车  尽管早期的努力换来了今天两个不能互相操作的无线标准,用户们仍然希望在获得远程数据点以外建立一套统一的适用于大范围应用的无线网络规范。主要的用户们已经认识到无线网络规范不仅要成为国际化标准,而且必须适用于例如无线FF以及现场仪表中的互联网网络服务器这样的高要求应用场合。只有高度安全地基于IP的协议可以做到这些,也只有ISA100无线能满足这些需求。

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