创新的多协议现场无线网络——多种无线通信标准的融合

方原柏

(昆明仪器仪表学会，云南 昆明 650228)

0 引言

各行各业的很多技术标准中，往往并存多项子标准，不同国家、不同的制造商推出不同子标准的产品。享有共同利益的国家、制造商抱成一团，力推自己的子标准，拓展该子标准的应用领域，以扩大其影响范围。这种状况造成的后果是各自为政，各受其害。以火车的轨距为例，据说全球有三十几种标准，常见的有米轨(1 000 mm轨距)、准轨(1 435 mm轨距)、宽轨(1 524 mm轨距)。美、中、日、韩及大部分欧洲国家都采用准轨。车不同轨，就无法直接连通，所以现在中欧班列运行途中要有一次或两次换轨，这就是人为的障碍。

自动化行业也是这样。以现场总线标准为例，国际上较有影响的现场总线就有四十多种，列入IEC 61158第二版的现场总线标准多达八种，到第三版时又增加了两种，这还不包括列入设备层现场总线和控制器局域网、交通工具局域网的多种现场总线。虽然很多用户曾寄希望于统一的现场总线标准，但实际上由于技术原因和利益驱动，用户的期望一直未能实现。如爱默生过程管理公司主推的FF现场总线标准在过程自动化应用颇多；而西门子公司Profibus现场总线早期主要用于工厂自动化，为扩展其影响，西门子在Profibus-DP的基础上又开发出Profibus-PA以适用于过程自动化。用户如果同时使用了FF、Profibus-PA两类现场总线设备，就必须分别使用这两类现场总线的接口(如总线模块、耦合器等)与上位控制系统连接，没有对应的现场总线接口或想在同一个网段上接入不同现场总线设备是行不通的。

过程自动化行业无线通信标准也存在这个问题。国际电工委员会先后批准了三个标准：WirelessHART、WIA-PA和ISA 100.11a。这就在工业无线领域形成了三个标准共存的局面，由此带来了标准之间互通性差、多标准支持设备研发周期长、成本等问题。

大多数工业无线网络的潜在用户可能会选择三种主流无线技术中的一种，并接受这种排它性的选择——要么是ISA 100.11a，要么是WirelessHART，要么是WIA-PA。

在许多情况下，这种选择可能是他们选择分散控制系统的直接结果。比如选择了艾默生过程管理公司的Delta V DCS，就要用WirelessHART；选择了霍尼韦尔公司的Experion DCS，就要用ISA 100.11a。这样的结果有时让用户非常烦恼：他们选择的现场仪表供应商所支持的无线通信标准，和他们选择的DCS供应商所支持的无线通信标准并不一致。

1 自动化行业无线通信标准融合的方式分析

2012年12月，FF宣布与国际自动化学会自动化标准委员会ISA100合作，提出了一个通用的框架，允许多个工业通信协议通过共享无线集成架构在过程自动化系统中运行，使现场总线连接到远程的I/O和ISA100.11a、WirelessHART、有线H1协议集成到单一的标准化环境中。其被称为基金会的远程操作管理ROM，是通过第三方的开放融合，以便为用户提供更高的可靠性和更低成本的远程操作。这个框架保持了“基础设施”战略，而不是试图在无线设备水平方面竞争[1]。2013年9月，现场总线基金会宣布，已发布了用于访问ISA100.11a传感器模块的无线设备的现场总线基金会初步规范(preliminary specification，PS)。该规范定义了ISA100.11a设备到基金会现场总线的接口[2]。

按用户的意愿和基金会的远程操作管理ROM的框架，设想有以下几种自动化行业无线通信标准融合的方式。

①无线网络各自的无线网络接入设备，往下接收不同无线通信标准现场设备的信号，往上分别接入控制系统。虽然小的无线网络分属不同无线通信标准，但大的网络兼容了不同无线通信标准。

②无线网络接入设备固件中嵌入WirelessHART、WIA-PA和ISA 100.11a中的三个或两个无线通信标准的通信栈。与每个标准相关的现场设备的数据经接入设备被路由到各自的网络管理器(network manager，NM)或系统管理器(system manager，SM)。

③在无线网络接入设备固件中嵌入多个无线通信标准的通信栈基础上，开发融合多个无线通信标准的管理器。这样所有无线现场设备的路由、通信、信道分配和时间槽的使用统一由一台智能网络管理器控制。这种融合方式可以理解为最底层的无线通信网络中三大标准的无线现场设备共存，但往上就只有统一的接入设备、统一的管理器。

④无线通信标准统一，即无线现场设备的通信协议、接入设备、管理器统一。

按上述次序，融合等级逐步升高，第一种方式相对容易做到，只是应用的实例很少；第二种方式需要采用的设备较多，网络的通信管理也欠合理；第三种方式实现了共存，用户可以接受；第四种方式是我们真正期望的，但也是最难实现的。

2 自动化行业无线通信标准融合的可能性

多种无线通信技术标准的融合既是过程行业用户一致的要求，也是无线通信标准发展的一个大趋势，它可以提供远程操作的更高可靠性和更低成本。三大标准合作的技术基础原本是存在的。因为WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a的物理层都基于IEEE 802.15.4，都在2.4 GHz的频谱中工作，并采用某种形式的跳频技术，提供芯片和通信协议栈的商家往往同时提供这几种技术的部件。而在WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a三大标准和ISA国际自动化学会的ISA100工业无线标准化工作委员会的内部，还包括很多相同的会员。

但实际上三大标准差别很大，无法相互兼容。以WirelessHART和ISA100.11a标准为例。WirelessHART标准是由HART通信基金会较早创立，它的意愿是通过无线网络，尽可能简单地传输HART数据，并可通过常见的HART工具和方法来安装和管理数据。ISA100.11a标准则是由来自超过250个国家的专家所组成的一个开放标准组织，是一种基于无线网络的电信协议，用于过程数据的输出，并尽可能满足多种应用要求。它的设计主要是为了实现高效的、以EDDL为标准的现场总线数据的传输。

所以自动化行业无线通信标准融合在技术上有基础，但又有一定的难度。

3 无线通信标准融合技术的发展

无线通信标准融合技术的开展大体可分为三个方面：ISA100.12工作组、NAMUS融合工作组和制造商工作组。

3.1 ISA100.12工作组

在WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a问世之初，在ISA名下成立ISA100.12工作组，负责寻找WirelessHART和ISA100.11a无线标准融合的技术途径。当时认定实现无线标准融合技术途径的唯一方法是发布提案申请，后有3个团队提出申请。但最终这些团队没有解决以下核心问题：网络规范的定义能够取代ISA100.11a和WirelessHART及提供两个现有网络的反向兼容。代表ISA100.11a和WirelessHART供应商的两个团队都不能接受修改自己基础网络的要求，因此无法达成任何妥协协议。其原因非技术方面，而是集中在营销效应方面。2013年，ISA100.12工作组已决定放弃在无线通信技术标准融合方面的努力[1]。

3.2 NAMUS融合工作组

几乎就在同一个时间段，以德国测量与控制标准委员会(NAMUS)为首的用户组织经过研究，发布了NE133“无线传感器网络：对现有标准的融合要求”报告，希望三种工业无线国际标准能够融合为单一的标准，从而方便全球工业物联网设备和网络的部署。为了响应用户需求，成立了融合工作组负责融合技术的研究与标准制定。2010年8月，在伦敦的Heathrow(希思罗)机场召开了工作组第一次会议，工作组即以希思罗命名。2011年3月底，在瑞士的融合工作组会议形成备忘录决定成立技术工作组。基于在工业无线领域的技术优势，重庆邮电大学是希思罗工作组的五名核心成员之一和技术工作组主要成员，长期参加工业无线融合标准的制定。目前，该工作组已经起草了工作组的Position Paper，完成了议事规则的制定，完成了对三个标准的前期分析、融合框架及路线图的制定，达成分三步开展工作的共识。

希思罗工作组融合工业无线标准第一步方案如图1所示。分析图1的共存方案，应该是由三大标准的网关借助骨干网通过各自的接入点AP或路由器(BBR、RTR)分别接入三大标准各自的网络，然后再通过网关有线接入上位控制系统[3]。

图1 希思罗工作组融合工业无线标准第一步方案

第二步完成渐进式融合。第三步以单一的ISO/OSI层过程仪表协议的现场设备、统一的连接点、统一的网关实现标准的最终融合。这里的现场设备、接入点、网关均以希思罗令名，如希思罗现场设备、希思罗连结点、希思罗网关。希思罗工作组融合工业无线标准第三步方案如图2所示[4]。

图2 希思罗工作组融合工业无线标准第三步方案

3.3 制造商的工作

作为ISA 100的核心成员单位，美国尼维斯(Nivis)公司以其管理和优化网状网络的软件而闻名，同时在利用ISA 100.11a、WirelessHART和6LoWPAN开发基于标准的无线网状通信堆栈方面拥有丰富的知识。尼维斯公司是目前能同时提供ISA 100.11a和WirelessHART两种流程行业无线产品供应商，其无线节点和路由器用在ISA 100.11a和WirelessHART的型号是相同的，使用户能够在单一的硬件上运行任何一种标准。如VersaRouter910路由器既支持ISA 100.11a标准，也支持WirelessHART标准，拥有在同一平台上运行的软件。因此VersaRouter910是一个双启动(dual boot)硬件，是集全功能于一身、专门为客户提供无线解决方案设计的工业级无线主干路由器。

尼维斯公司还生产VersaNode 210和VersaNode 310双栈无线通信模块，可供厂商将其集成到无线变送器中。双栈无线通信模块再通过双栈AP接入点接入信息后，与每个通信标准相关的数据被路由到它自己的NM或SM。稍后推出的VersaManager 3000系统管理器，结合了ISA 100.11a NM和WirelessHART SM的管理器功能，可统一调度路由、通信、信道分配和时间槽的使用，可排除不同网络之间的干扰，然后通过一台接口与主机通信。

2010年6月22日，尼维斯公司宣布发布新型WirelessHART网关。其虽然被称为WirelessHART网关，但却创新地采用了基于WirelessHART和ISA 100.11A无线通信标准的双协议解决(dual protocol solution，DPS)方案。通信堆栈和硬件将同时支持这两种协议，无线网络也能同时集成这两种类型的设备。

2013年4月16日，尼维斯公司又宣布，该公司将开放其ISA100.11a和Wirelesshart软件平台的开源产品，将包括ISA100.11A和WirelessHART所有软件的组件：即ISA100.11A的现场设备、主干路由器、网关、系统管理器、安全管理器和WirelessHART的现场设备、接入点、网关、网络管理器和安全管理器，是同时拥有ISA100.11A和WirelessHART堆栈的公司，并通过了各自的标准管理机构的认证。

罗马尼亚控制数据系统(control data systems，CDS)公司收购了尼维斯公司的工业无线技术及相应的产品，仍保留尼维斯公司原有ISA100.11a和WirelessHART无线产品的型号和功能。

2017年6月20日，爱默生过程管理公司宣布了一种新的双模无线网关，支持IEC 62951 WirelessHART和ISA100.11A工业无线通信标准。所采用的方案是集成到Cisco 1552WU的双模无线网关，如图3所示。而Cisco 1552WU是一种结合了WirelessHART和WiFi解决方案的工业加固无线解决方案。这一新产品扩展了爱默生的无线产品组合，为客户提供了一种简单的方式，可以利用许多供应商提供的WirelessHART和ISA100.11a工业无线通信标准的无线技术。

图3 集成到Cisco 1552WU的双模无线网关

2018年3月，霍尼韦尔公司在资料中介绍：在符合ISA 100.11a标准的OneWireless产品中，给无线Cisco Aironet 1552S节点设备和现场设备接入点(field device access point，FDAP)赋予多协议、多应用、多标准现场无线网络新的功能[10]。

Cisco Aironet 1552S节点设备具备兼容IEEE 802.11a/n(5 GHz)和802.11b/g/n(2.4 GHz)的三个两段式射频，还具备以太网、光纤以及小型可插拔(SFP)回程选项，可为ISA 100.11a和WirelessHART现场仪表、使用平板计算机等设备的WiFi客户端和以太网设备等提供完美的解决方案。节点设备内配有ISA100.11a和WirelessHART多协议的无线通信，可为无线传感器网络传输提供回程链路。Cisco Aironet 1552S可提供单盒式解决方案，并且无需使用两个独立的无线网络(一个用于802.11n网络，另一个用于无线传感器网络)[11]。FDAP可以作为接入点、路由器或网关使用，现在可用于接入ISA 100.11a和WirelessHART现场仪表，还可将无线网络覆盖范围扩大[12]。霍尼韦尔公司OneWireless多协议无线网络如图4所示。图4中，有2台现场设备接入点FDAP，右侧的一台接入WirelessHART现场仪表信号；左侧的一台以有线以太网方式接入一台控制设备(PLC)的信息，然后以ISA100.11a无线方式将信息传送到Cisco Aironet 1552S节点设备。这台Cisco Aironet 1552S节点设备与其左侧的另一台Cisco Aironet 1552S节点设备作为根接入点与Experion控制系统有线连接。Cisco Aironet 1552S节点设备，它以三种无线方式分别与三台无线现场设备通信：与WirelessHART现场仪表以WirelessHART无线方式通信，与ISA100.11a现场仪表以ISA100.11a无线方式通信，与手持式现场巡检仪以WiFi无线方式通信。而在Cisco Aironet 1552S节点设备之间，则以IEEE 802.11无线回传方式通信[13]。

图4 霍尼韦尔公司OneWireless多协议无线网络

综上所述，无论是由国际自动化学会组织的ISA100.12工作组，还是由用户组织的NAMUS融合工作组，皆以标准的统一为目标，可能会触动制造商的利益，后续工作难以继续。而来自制造商的工作，虽然能达到融合的目标，但多以标准的兼容为手段。但无论最终走到哪一步，无线通信标准还是走在现场总线的前面，虽然未能做到标准的统一，但至少做到了标准的融合。

4 结束语

在三大无线通信标准诞生之后，用户就极力呼吁“无线通信标准的融合统一”。这项工作历经周折，专门成立的融合工作小组因意见分歧太大而终止工作。

但在用户多年极力推动下，一部分生产厂商不断努力，朝融合方向前进的无线通信产品架构终于问世。这可看成是自动化行业无线通信技术获得突破的一个标志。