制造工業(yè)不會立即采用新的技術(shù)。相反的，他們一般逐步地有條不紊地開始新的應(yīng)用，而且只要該應(yīng)用涉及的科技所帶來的好處足夠克服其根本不能工作或不能穩(wěn)定工作所帶來的風(fēng)險就可以。許多用戶通常會在一些非關(guān)鍵工藝的實驗裝置上測試新技術(shù)。在運(yùn)行成功以及帶來足夠經(jīng)濟(jì)激勵以后，新科技會被指定在供貨商提供技術(shù)支持區(qū)域內(nèi)的新建工廠中使用。作為結(jié)果，新科技會被指定在新建工廠、重點(diǎn)改造和現(xiàn)代化項目中使用，最終成為行業(yè)規(guī)范?；饡F(xiàn)場總線（FF）就經(jīng)歷過這個模式，早在1996年，這項基礎(chǔ)科技就成為一個標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)歷了將近20年，它成為了行業(yè)規(guī)范并應(yīng)用于新工廠建設(shè)和連續(xù)流程工業(yè)的現(xiàn)代化改造上，例如石油加工、石油化工以及化工制造。
類似2000年有線過程控制通訊標(biāo)準(zhǔn)的情形，如今也有直接互相競爭的不同無線現(xiàn)場儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)：IEC 62734（ISA100.11a）和IEC 62591（WirelessHART）。這兩個標(biāo)準(zhǔn)看起來很類似，因為他們都是基于相同的IEEE 802.15.4 射頻芯片，可是實際上他們又截然不同且不能互相兼容。WirelessHART是由HART通訊基金會設(shè)計的，其目的是專為實現(xiàn)以最簡單的方式將HART數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，且使用人們熟悉的HART工具和方式來完成安裝和管理。ISA100無線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計是由超過250個國家的技術(shù)專家組成的開放標(biāo)準(zhǔn)組織完成的，其目的是建立一套基于互聯(lián)網(wǎng)的無線通信協(xié)議，不僅適用于當(dāng)今的過程控制數(shù)據(jù)，而且也適用于還沒有發(fā)明出來的未來應(yīng)用。該設(shè)計高效的傳輸HART以及實際上任何使用IEC 61804（EDDL）標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場總線案例分析
拖延無線現(xiàn)場儀表廣泛應(yīng)用的一個主要問題是大多數(shù)新建工廠和主要現(xiàn)代化項目現(xiàn)在采用基金會現(xiàn)場總線，它是一個連接非常智能現(xiàn)場儀表的全數(shù)字化有線網(wǎng)絡(luò)。盡管WirelessHART和ISA100無線網(wǎng)絡(luò)都可以通過一臺符合基金會現(xiàn)場總線規(guī)范的網(wǎng)關(guān)ROM（遠(yuǎn)程操作管理器）在兩個無線網(wǎng)絡(luò)之間傳輸簡單的數(shù)據(jù)，但是可以替代基金會現(xiàn)場總線的無線產(chǎn)品或FF H1版本還沒有出現(xiàn)。然而，真正的可以連接同樣智能的無線現(xiàn)場儀表的無線版本FF還沒出現(xiàn)。還未通過基金會現(xiàn)場總線測試的FF HSE（高速以太網(wǎng)）可以在Wi-Fi環(huán)境下工作，同樣的HSE協(xié)議可以在基于IP的ISA100的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作。目前還沒有任何供應(yīng)商提供或注冊與FF HSE相連接的無線設(shè)備。
用戶很擔(dān)心主要的一些儀表公司實際上采用兩種互相競爭的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。更大的擔(dān)心是用戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn)他們喜歡的現(xiàn)場儀表供應(yīng)商采用的無線網(wǎng)絡(luò)不能與他們喜歡的DCS供應(yīng)商采用的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)兼容。用戶依賴供應(yīng)商來解決這樣的問題，事實上供應(yīng)商必須為用戶帶來解決方案而不是問題。由于缺少一個統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范或被廣泛接受的行業(yè)慣例，阻礙了用戶接受無線現(xiàn)場儀表，只有在無線設(shè)備具有絕對的優(yōu)勢或者不需要快速控制回路的場合才會有一些應(yīng)用。
圖1 ：精煉廠里使用多個現(xiàn)場溫度傳感器可以處理不止一個探針。文中圖片來源：橫河電機(jī)
ISA100與WirelessHART對比
ISA100憑借什么特色優(yōu)勢使其成為新建過程控制應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)方面的更好選擇？HART通訊基金會在關(guān)于其無線平臺的描述中講到：“WirelessHART技術(shù)可以讓用戶獲取那些已安裝HART智能設(shè)備內(nèi)部的大量未被使用的隱藏數(shù)據(jù)。”
ISA100的設(shè)計是明確為了智能過程控制現(xiàn)場儀表的通訊以及簡化設(shè)置從而達(dá)到一系列特殊的高性能要求。在制備一臺標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的ISA100無線設(shè)備時，可能有很多可配置的選項供選擇。這些選擇的默認(rèn)值已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)并被稱為路由器配置文件，它已經(jīng)被優(yōu)化并保證過程控制現(xiàn)場儀表的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的安全。
因此，用戶使用無線過程控制現(xiàn)場儀表不需要根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的任何選項來配置新裝無線儀表。其他無線設(shè)備生產(chǎn)商可能會有特定的成本、性能或安全方面的需求，因此也許會使用在標(biāo)準(zhǔn)中為低成本設(shè)備所規(guī)定的I/O配置文件，或者也許會為了滿足他們的個性化需求而要求調(diào)整到其他ISA100版本。個性化的ISA100版本確保通過兼容性測試，可以與滿足路由器配置文件的現(xiàn)場儀表互相操作，但是用戶不需要擔(dān)心ISA100無線配置文件的調(diào)整。
在ISA100的設(shè)計過程中，使用的一套最基本的需求恰恰與多年以前設(shè)計FF時所用的需求是一樣的。ISA100和FF架構(gòu)的共同核心之處在于不需要主機(jī)或網(wǎng)關(guān)即可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。ISA100和FF設(shè)備都具有實時同步的時鐘，用來支持智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部的時間表任務(wù)。ISA100設(shè)備的實時同步時鐘的精度可以達(dá)到± 1.0 毫秒。這樣的時鐘精度對于支持電力工業(yè)用戶完成事后跳閘順序分析也是必要的。
例如，絕大多數(shù)過程控制現(xiàn)場儀表每秒鐘采樣一次（1Hz），這對于監(jiān)控和絕大多數(shù)閉環(huán)控制是足夠的。ISA100可以在將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭M(jìn)行這些控制的DCS的同時保持同步時間精度。WirelessHART不具備時間同步功能。當(dāng)流量控制需要配置到數(shù)據(jù)更新快于每秒鐘一次，只有ISA100提供的數(shù)據(jù)可以滿足同步響應(yīng)頻率大于每秒鐘一次。典型的蒸餾柱流量控制要求數(shù)據(jù)的掃描更新頻率為每秒鐘2-4次。為了滿足這樣的性能需要，采集數(shù)據(jù)用的流量傳感器應(yīng)該配置在具有最小網(wǎng)格劃分的網(wǎng)絡(luò)中，才能保證采樣時間同步。ISA100確定支持最大100毫秒的延遲，并且要采用現(xiàn)場回程路由器保證數(shù)據(jù)只經(jīng)過單跳就到達(dá)控制器，免去網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所帶來的不確定延遲。
對于某些應(yīng)用的要求甚至高于流量控制的4Hz時，用戶應(yīng)該需要對ISA100的數(shù)據(jù)鏈接層進(jìn)行配置，可以滿足高達(dá)12Hz的處理頻率，這是當(dāng)前設(shè)計的極限值。ISA100的優(yōu)勢在于用戶擁有這個選項而不需要修改協(xié)議或者創(chuàng)建新的卻不被基金會現(xiàn)場總線互操作性試驗所支持的功能塊。
圖2 ：無線現(xiàn)場設(shè)備與安裝在工廠各個關(guān)鍵位置上的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。
文中圖片來源：霍尼韋爾過程解決方案
解決進(jìn)退兩難的困境
過程控制現(xiàn)場儀表用戶面臨著不知該選擇安裝誰的無線網(wǎng)絡(luò)的兩難境地。他們面臨的選擇有：
1.不安裝任何無線現(xiàn)場儀表；
2.只安裝ISA100無線設(shè)備；
3.只安裝WirelessHART設(shè)備；
4.由于每個工廠現(xiàn)場一般都統(tǒng)一采購?fù)粋€DCS制造商的產(chǎn)品，那么安裝可以與DCS集成的無線網(wǎng)絡(luò)；
5.只采購具有雙配置的設(shè)備，安裝時進(jìn)行配置從而可以滿足任意一個標(biāo)準(zhǔn)；
6.安裝其他標(biāo)準(zhǔn)，例如WIA-PA，ZigBee，Bluetooth， Wi-Fi或者專有網(wǎng)絡(luò)。
每一個選擇都需要用戶根據(jù)實際情況進(jìn)行具體考慮。
1或6：如果一個公司想要受益于標(biāo)準(zhǔn)的無線現(xiàn)場儀表，那么完全排除無線現(xiàn)場儀表、安裝另外一種標(biāo)準(zhǔn)或安裝供貨商專有的網(wǎng)絡(luò)的做法都違背了公司的利益。WirelessHART和ISA100都已經(jīng)被實踐證明可以為用戶保護(hù)隱私和防止入侵提供很強(qiáng)的安全防護(hù)。
4：在同一個公司里同時安裝ISA100和WirelessHART，并且依賴DCS供應(yīng)商的服務(wù)支持就無法獲得選用某一種無線網(wǎng)絡(luò)所帶來的經(jīng)驗和規(guī)模效應(yīng)。
5：只采購具有兩種協(xié)議或可以初始設(shè)定為任意一種協(xié)議的雙配置設(shè)備，只會滿足減少庫存的需要。由于需要了解并維護(hù)兩個網(wǎng)絡(luò)，這種做法會在實際安裝和維護(hù)過程中會產(chǎn)生非常復(fù)雜的問題。
2和3：選擇安裝其中任意一個標(biāo)準(zhǔn)都限制了公司為工廠選擇最佳DCS的能力，而且如果所選網(wǎng)絡(luò)不能最終成為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，將使工廠過時。
能否有一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范？
盡管有一些儀表供應(yīng)商和最終用戶被雙配置方式吸引并為其雙網(wǎng)絡(luò)提供支持，這并不能帶來長久有效的行業(yè)規(guī)范，而行業(yè)規(guī)范的建立是所有最終用戶最根本的要求。ISA100會成為未來無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)科技的核心，如同以太網(wǎng)TCP/IP和Wi-Fi已經(jīng)成為IT網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范一樣。ISA100完全是建立在成熟的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上。這意味著ISA100是一個不依賴于應(yīng)用場合、基于互聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，適用于關(guān)鍵和非關(guān)鍵的工業(yè)自動化環(huán)境，就像以太網(wǎng)TCP/IP和Wi-Fi是為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的不依賴于應(yīng)用場合的基于互聯(lián)網(wǎng)的通信方式。只要某些應(yīng)用是使用基于IP協(xié)議的通用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)來建立的，它們就可以通過ISA100這樣的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，前提條件就是有完成這些任務(wù)所需的足夠帶寬以及該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為滿足自動化行業(yè)的特性需求做出了合適的調(diào)整。
不僅如此，ISA100也像以太網(wǎng)TCP/IP一樣不依賴于網(wǎng)絡(luò)硬件。伴隨著微處理器和通訊半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展以及頻率分配的變化，ISA100無線不需要對該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中運(yùn)行的各種應(yīng)用進(jìn)行任何修改即可完成這些轉(zhuǎn)換過程。如果通過歷史可以很好的預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)注定會更經(jīng)濟(jì)、更省電且更快。隨著工業(yè)效用的增長，ISA100會很自然的在新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)浪潮中占有重要位置。
過程控制設(shè)備制造商主要關(guān)心的是滿足用戶需求和降低產(chǎn)品成本使其價格具有競爭力?？蛻艚?jīng)常需要從解決短期問題著手，但是大多數(shù)也希望為了滿足他們對過程自動化的需求而開發(fā)一套長期有效的系統(tǒng)架構(gòu)。由于其產(chǎn)品推出的比較早，WirelessHART已經(jīng)可以滿足一些短期需求，但是幾個最終用戶組織現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識到ISA100無線網(wǎng)絡(luò)本身就可以滿足長期無線架構(gòu)的需求。
結(jié)論
早期無線過程控制儀表的用戶們的應(yīng)用需求集中在從那些接線太昂貴或不可能接線的地點(diǎn)獲取過程數(shù)據(jù)。大多數(shù)這樣的應(yīng)用可以通過WirelessHART或ISA100無線得到滿足，而且現(xiàn)在已經(jīng)被實踐證明并完成了他們的目標(biāo)。
決定使用WirelessHART作為他們工廠的無線網(wǎng)絡(luò)的用戶們使自己身陷一種控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場設(shè)備幾乎不智能而且不可能CiF它的效益。他們的DCS必須承擔(dān)所有信號處理和閉環(huán)控制的工作。ISA100當(dāng)然同樣可以與這些HART現(xiàn)場設(shè)備連接，而且當(dāng)全功能（智能）現(xiàn)場設(shè)備安裝好以后，ISA100在不需要改變基本網(wǎng)絡(luò)的情況下利用其開放架構(gòu)可以完成雙向無線數(shù)據(jù)同步傳輸。并且我們知道現(xiàn)在有很強(qiáng)的趨勢朝著配有智能現(xiàn)場設(shè)備的FF和高度同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虬l(fā)展。
盡管早期的努力換來了今天兩個不能互相操作的無線標(biāo)準(zhǔn)，用戶們?nèi)匀幌Ｍ讷@得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)點(diǎn)以外建立一套統(tǒng)一的適用于大范圍應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。主要的用戶們已經(jīng)認(rèn)識到無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范不僅要成為國際化標(biāo)準(zhǔn)，而且必須適用于例如無線FF以及現(xiàn)場儀表中的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器這樣的高要求應(yīng)用場合。只有高度安全地基于IP的協(xié)議可以做到這些，也只有ISA100無線能滿足這些需求。
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