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现场设备未来会使用统一的无线协议吗?
2015-02-10 00:11:26  作者:  来源:网络
  • 与合并前的FF总线境况相似,目前的无线现场仪表领域也存在着两个相互竞争的标准,哪一个会在未来赢得更广泛的应用呢?我们拭目以待。

  过程工业对新技术的接受,不是一蹴而就的。从另一方面来讲,正常情况下,只要这些技术的应用能够带来足够大的收益,大到超过它完全不工作或工作不稳定所带来的风险,那么过程工业会循循渐进地在某些应用上应用这些技术。很多用户会在一些非关键的、试验性质的应用上测试新技术。在运行成功,并且获得足够大的经济效益后,就可规划用于新工厂的建设,但是建设地点必须有供应商的服务支持。这样,新技术会逐步地用于新建工厂的建设以及重大的现代化项目,最终成为工业标准。基金会总线(FF)的发展就遵循了上述路线,其基本技术最终在1996年成为标准,在大约20年后的今天,它已经成为诸如石油冶炼、化工和医药生产等连续流体过程工业新建工厂和现代化改造时所使用的标准。

  正如在2000年左右,有线通讯标准所处的形势一样,目前在无线现场仪表标准领域,直接竞争的标准有:IEC 62734 (ISA100.11a) 和IEC 62591 (WirelessHART)。它们看起来都非常相似,因为都是基于IEEE 802.15.4发射芯片;但实际上它们非常不同,无法相互兼容。WirelessHART,由HART通讯基金会设计,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无线则是由来自超过250个国家的专家所组成的一个开放标准组织设计,是一种基于无线网络的电信协议,用于过程数据的输出,无论是现有的设备,还是未来的、现在还没有发明出来的应用上,都可以利用。它的设计主要是为了实现高效的HART传输,尤其是传输任何使用IEC 61804 (EDDL)标准的现场总线数据对象。

  无线现场仪表协议的标准之争

  导致无线现场仪表协议没能获得更大范围认可的一个问题是:大多数新建工厂和大型现代化项目目前使用的都是基金会现场总线,一种有线、全数字网络,高度智能化的现场仪表总线。所以尽管WirelessHART和ISA100无线网络可以通过ROM(远程操作管理器:一种现场总线基金会类型的网关)在彼此网络间实现简单的数据交换,但是,一个真正智能化的无线版本的FF,而不是无线现场仪表,仍然不存在。现场总线基金会还没有测试的是工作在Wi-Fi上的FF HSE(高速以太网),或者是工作在基于 ISA100无线IP网络的FF HSE(高速以太网)。目前没有任何FF HSE无线版本,能够连接由供应商提供或认证的设备。

  用户们知道,在所有无线网络标准竞争者中,有两家获得了主要仪表公司的支持。但更让用户担心的是,经常出现这样的情况:他们喜欢的现场仪表供应商所支持的无线网络标准,和他们喜欢的DCS供应商所支持的无线网络标准,并不一致。用户期待供应商能够解决这个问题,而不是使其变得更糟。缺乏统一的无线网络标准,或者获得广泛工业实践认可的协议,导致用户对无线现场仪表的接受程度比较低。当然了,在一些无线优势比较明显以及非快速控制回路的应用上是个例外。

  ISA100与WirelessHART的比较

  ISA100与WirelessHART协议的不同特性是什么?正如HART通讯基金会对该平台的描述中所说的,“WirelessHART技术允许用户从这些已经安装的智能HART设备上获得更多的未使用的信息。”

  很明显,ISA100主要用于实现与智能过程控制现场仪表的通讯,经过简单方便的组态就能满足高性能要求。 根据标准的规定,在准备ISA100无线设备时,有很多种组态方法可供选择。在标准中,给出了这些选项的默认值集合,我们称之为路由属性,这些属性已经被优化,可用于保护过程控制现场仪表的“Mesh”网络。

  因此,无线过程控制仪表用户不需要为新无线仪表组态,以满足该标准任何选项的要求。其它无线设备厂家也许有专门的费用,性能或安全方面的需求,也许需要使用在标准中为低成本设备所定义的I/O配置,或者需要对其它的ISA100特性做调整以满足它们的要求。客户定制版本的ISA100可以依据路由配置实现与现场仪表的相互操作,这是可以保证并经过合规测试的。但是ISA100无线配置的调整,则不是客户需要考虑的问题。

  在ISA100的设计过程中使用的基本需求集,与很多年前在设计FF过程中使用的基本需求集一样。无论是ISA100,还是FF,其结构的根本是点对点通讯,而不需要主机或网关中继。ISA100和FF设备都有同步时钟,以支持智能网络设备中的时序安排。ISA100设备同步时钟的精度可达± 1.0 ms。这是为了满足电网用户对事后停机序列分析的需求而设置的。

  例如,大多数过程控制现场仪表每秒钟采样一次(1Hz),这对于监视和大多数闭环控制已经足够了。ISA100可以将这些打上时标的数据,传递给实现这些控制功能的DCS系统。WirelessHART没有时间同步功能。在组态中,如果流体控制的刷新率大于每秒一次,那么只有ISA100可以提供超过每秒一次的同步响应。典型的蒸馏塔控制所需的数据刷新速度为秒钟2-4次。为满足该功能,应将流量变送器与最小的“Mesh”网络连接,以确保同步采样时间。ISA100支持最大100ms的延迟,以及为了使数据能够在单个周期中就可以到达控制器且没有不确定的网络延时所必须的现场Backhaul路由器。

  在实际应用中,如果流量控制的频率要求大于4Hz,用户就有必要配置ISA100数据链层,该数据数据链层最快的处理速度可达12Hz,这是目前设计的极限,可以满足用户的处理要求。ISA100具有该功能,不需要修改协议,也不需要创建现场总线基金会互操作测试不支持的新功能块。

  对复杂数据的传输

  在现场分析仪表领域的应用,也许需要传输较长的数据序列,这些数据无法分成较短的信息,以便在10ms周期内完成传输。因此,包含无线数据分析仪的网络单元,可以使用ISA100协议以便传递较长的数据信息。这些应用可以将信息分割成小于90个字节的数据,从而可以节省宽带资源。ISA100支持将分段的长信息重组。WirelessHART由于使用固定的10ms扫描周期,而且其网络层过分简化,因此并不适用于高效传递长信息,而是将分割和重组长信息的责任留给了应用程序。将其置身于标准及合规测试之外,使得众多的厂家开发可相互操作产品的难度加大。

  ISA100特有的功能之一是在现场设备和网关之间的“隧道”技术,这样即使设备使用的数据协议与ISA100的大不相同,该技术也能使其具有在整个ISA100无线网络上传递任何数据流的能力。作为优先选择的方法,面向对象的ISA100应用层具有已激活的无线适配器,可以利用ISA100对象模型和服务,产生简单、有效的信息。该设备可以内置ISA100,也可以使用适配器,以设备最原始的形式比如:Modbus、 DeviceNet、 ControlNet、 EtherNet/IP、 Profibus和 HART等协议来完成通讯,并将信息封装,通过ISA100无线网络将其传递给网关。

  大多数应用已经使用ISA100对象模型,利用上面提及的原始网络协议传递数据,不必使用隧道技术。网关软件可以将包含在原始信息中的数据传递给目标接收器。既然ISA100适配器具有IP地址,因此外部系统就可以像与其它任何IP设备交互一样,将信息传递给具有该IP地址的现场设备。

  智能设备上可以运行FF HSE,该协议也是基于UDP/IP的。利用已发布的、与FF协议兼容的ISA100特性, ISA100无线网络能够与任何其它运行同样协议的设备同步交换信息和数据。

  无线网络安全

  用户和供应商都担心安全问题,所以ISA100和WirelessHART协议利用内置的IEEE 802.15.4无线芯片所自带的AES-128加密算法对每条信息进行加密。在IAS100网络上,利用转动的加密密码,定期改变安全密钥,从而实现对安全的管理。在此期间,需要一个虚拟的入侵者,攻击网络加密密钥,这样就会自动产生新的密钥,并将其分发,从而避免真正的攻击。

  WirelessHART将加密和数据完整性的校验方法限制在IEEE 802.15.4标准所允许的8种可能方法之一,而ISA100则使用了其中6种的组合。两个标准都默认使用32位信息完整性校验码,但是ISA100还提供了一种可组态的64位或124位信息完整校验码,在有些情况下可以提供政府或准政府组织所要需的更高安全等级。

  在ISA100开发的过程中,用户向委员会提交了对于安全方法,或提供新的现场设备(无需专门处理或物理设施就能对仪表实现存取)的要求。利用PKI(公共密钥),ISA100可以实施无线安全措施,防止或允许新设备加入到网络中。安全性基于两方面因素:在服务开通前,准备一个白名单,确定在网络中必须安装的设备,用户必须具有相关的283位的授权。白名单及授权文件由厂家创建,通过可传输介质(CD, DVD, USB 闪存, SD卡等)提交给用户,并被安装在网络安全管理器上。

  这样用户就没有必要对设备进行排除。当无线仪表在现场安装以后,会自动响应网络发出的要求,申请成为运行网络的一部分。该过程是安全的,因为使用了标准的283位公共/私人密钥方法,该方法不会通过无线传输任何未经加密的加入密钥,不采用不安全的操作程序向主系统传递密钥,也不通过手持终端来传递。WirelessHART使用物理连接的手持终端来获取网络地址以及安全密钥。ISA100通过红外端口,也提供类似的互操作功能。

  WirelessHART和ISA100都支持“Mesh”网络,该网络可以扩展网络覆盖的范围,使其能够与建筑物中视线可及范围内的设备连接,为数据提供了一种比较有弹性的传递路径,从而提高可靠性。但是,网络用于同步控制回路时,只有ISA100能够在限制“Mesh”网深度的同时还可以利用“Duocast”技术,实现完全的弹性数据传递路径。由于在多层“Mesh”网中,信号在到达其目的地时,可能会导致不确定的延迟,所以在限制网络深度时,现场路由器应布置在单次传输就可到达的区域。利用弹性功能实现网络的可靠性,在弹性数据路径上传递的信息需要保持一致。内置于ISA100无线技术的“Duocast”特性,能够确保在弹性数据路径上传递的信息一致。WirelessHART能够在其“Mesh”网上将数据传递给多个路由器,但不是在同一时间间隔内。

  当设备需要从“Mesh”网上的邻居获取数据时,在组态中,必须考虑通过“Mesh”网与DCS间传递数据可能需要较长时间的延迟。作为应对,ISA100支持设备及其邻近设备间的直接通讯。这种点对点的联系包括直接的无线通讯,与应用对象模型一起远程执行现场控制逻辑,而不需要DCS的介入,这与FF HSE的现场控制类似。

  选择难题

  过程控制现场仪表的用户,在选择安装哪种无线网络时面临着难题。他们通常有如下选择:

  1. 不安装任何无线网络;

  2. 仅安装ISA100无线网络;

  3. 仅安装WirelessHART网络;

  4. 一般情况下,每个工厂现场的DCS系统都会标准化到同一个平台中,因此安装可以与DCS集成的无线网络;

  5. 只采购那些可以支持双启动模式的设备,这样在安装时就可将其组态为支持两种标准协议;

  6. 安装其它标准,比如 WIA-PA, ZigBee, Wi-Fi,或专有网络。

  每种选择,都有其自身现实的考虑,用户必须对其进行梳理。

  1 或 6选项: 完全放弃使用无线现场仪表,而安装使用其它标准的设备,或安装供应商自有的网络,从某种程度上讲,如果想要从无线现场仪表的使用中获益,那这种做法无疑是不利于公司利益的。无论是WirelessHART还是ISA100,都是经现场证明的,具有很强的安全性能,可以保护用户隐私,预防外界入侵。

  4选项: 在同一个公司内,同时安装ISA100和WirelessHART,取决于DCS供应商的支持,但是这牺牲了可供选择的无线网络的数量以及可以获得的经验。

  5选项: 只采购那些可以支持双启动模式的设备,这些设备或者包含两种协议,或者可以初始化为任何一种设备,这两种方式只能满足降低库存的需求。但是由于对两种网络都需要支持和维护,因此这会在安装和维护的过程中产生更复杂的问题。

  2和3选项: 单独安装任何一种协议的设备,都可能会限制公司为工厂现场选择最佳DCS系统的能力。

  统一的无线网络标准?

  尽管仪表供应商和一些最终用户可能会支持通过双启动模式实现双网络的设备,但是这不会实现所有最终用户的根本需求(最终建立统一工业标准)的远景目标。在无线工业网络中,ISA100有可能成为未来核心的技术,这和以太网TCP/IP和 Wi-Fi 成为IT网络的标准如出一辙。这就意味着,正如以太网TCP/IP和 Wi-Fi 是一种独立于应用的、基于因特网通讯的、为商业应用而设计的网络,ISA100是一种独立于应用的、基于因特网通讯的、为关键或非关键的工业自动化环境而设计的网络。只要应用使用的是基于IP协议的通用网络标准,就可以在任何标准网络上传递,前提是有足够的带宽分配给该任务。这已经在满足自动化工业的某些特定需求方面获得应用。

  而且,和以太网TCP/IP一样,ISA100的应用独立于网络硬件。随着技术的发展,ISA100无线协议也随之发展,而不需要对基于这些网络技术的应用做改动。

  设备供应商希望能够满足客户的需求,同时保持价格的竞争力。客户一般则希望能够从解决短期问题开始,但是大多数同时还希望能够为过程自动化开发出一种远期的架构。由于在早期产品中得到应用,因此WirelessHART目前可以满足短期需求,但是现在,有多个最终用户组织开始意识到这样一个事实:ISA100无线协议单独就可以满足远期无线架构的需求。

  未来的趋势:开放、智能

  早期无线仪表用户,关注的是从某些区域获得过程数据,而这些区域要么无法接线,要么虽然可以接线,但是费用比较高,或者是没有任何协议可以实现该应用。

  决定使用WirelessHART来实现工厂无线网络的用户,将不得不依赖这样一个控制系统结构:基本没有智能化现场设备,没有实现现场控制的可能性,因而也无法从中获益。他们的DCS系统必须完成所有的信号处理和闭环控制。ISA100同样可以连接到这些HART现场设备,但是由于是开放的网络,使其可以在智能现场设备条件具备时,与之实现同步双向无线传输数据,而不需要对基础网络做任何改变。我们知道,目前的趋势是使用带智能现场设备和高度同步数据传输的FF网络。

  领先的用户已经意识到,无线网络标准不仅仅必须是国际标准,而且还必须适用于苛刻的应用环境,比如在现场仪表中的无线FF和以太网服务器。只有高度安全的基于IP的协议可以实现该功能。也许ISA100无线协议更能够满足这些需求。



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