工業(yè)無(wú)線技術(shù)WirelessHART、ISA100.11a和WIA比較

工業(yè)無(wú)線技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，是未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。工業(yè)無(wú)線技術(shù)是21世紀(jì)新興、面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低耗能、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)特征。

目前我們所熟知的無(wú)線技術(shù)有ZigBee、無(wú)線局域網(wǎng)(WiFi)、藍(lán)牙(Blue-tooth)、超寬頻(UWB)等。但他們由于自身協(xié)議的限制（如發(fā)射功率、安全等級(jí)、抗干擾性等方面的性能），通常應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，不適合復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。其特點(diǎn)如表1所示：

表1 常用無(wú)線通信協(xié)議比較

目前工業(yè)無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)形成了三大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，分別是由HART基金會(huì)發(fā)布的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，ISA國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)（原美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)）發(fā)布的ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)、和我國(guó)自主研發(fā)的WIA-PA和WIA-FA標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)簡(jiǎn)介

WirelessHART

WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)是2007年9月由HART通訊基金會(huì)發(fā)布，是第一個(gè)專門為過(guò)程工業(yè)而設(shè)計(jì)的開(kāi)放的可互操作的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)，滿足了工業(yè)工廠對(duì)于可靠、強(qiáng)勁、安全的無(wú)線通訊方式的迫切需求。作為HART7技術(shù)規(guī)范的一部分，除了保持現(xiàn)有HART設(shè)備、命令和工具的能力，它增加了HART協(xié)議的無(wú)線能力。國(guó)際電工委員會(huì)于2010年4月批準(zhǔn)發(fā)布了完全國(guó)際化的WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)IEC 62591（Ed.1.0），是第一個(gè)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)使用運(yùn)行在2.4GHz頻段上的無(wú)線電IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、通信安全與可靠的信道跳頻、時(shí)分多址（TDMA）同步、網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備間延控通信（Latency-controlled Communications）等技術(shù)，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議主要應(yīng)用于工廠自動(dòng)化領(lǐng)域和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，彌補(bǔ)了高可靠、低功耗及低成本的工業(yè)無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺。

ISA100.11a

ISA從2005年便開(kāi)始啟動(dòng)工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a 的制定工作, 已經(jīng)于2014年09月獲得了國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的批準(zhǔn)，成為正式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)IEC 62734。我國(guó)重慶郵電學(xué)院作為核心單位也參與該標(biāo)準(zhǔn)的制定。ISA 100.11a是第一個(gè)開(kāi)放的、面向多種工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)族。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)定義的工業(yè)無(wú)線設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、無(wú)線手持設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備，主要內(nèi)容包括工業(yè)無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性、魯棒性以及與有線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的互操作性等。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)可解決與其他短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存性問(wèn)題以及無(wú)線通信的可靠性和確定性問(wèn)題，其核心技術(shù)包括精確時(shí)間同步技術(shù)、自適應(yīng)跳信道技術(shù)、確定性調(diào)度技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由技術(shù)和安全管理方案等，并具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、低功耗等特點(diǎn)。

WIA

WIA技術(shù)一種高可靠性、超低功耗的智能多跳無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)提供一種自組織、自治愈的智能Mesh網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，能夠針對(duì)應(yīng)用條件和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，保持網(wǎng)絡(luò)性能的高可靠性和強(qiáng)穩(wěn)定性。同時(shí)，圍繞語(yǔ)義化數(shù)字工廠建模與動(dòng)態(tài)服務(wù)組合，研發(fā)了WIA－PA和WIA－FA兩項(xiàng)IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品體系，打通了跨協(xié)議、軟件和系統(tǒng)的互操作接口。

---WIA-PA

WIA-PA是一種經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的、適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它在時(shí)間上(時(shí)分多址TDMA)、頻率上(巧妙的FHSS跳頻機(jī)制)和空間上(基于網(wǎng)狀及星型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻目煽柯窂絺鬏?的綜合靈活性，使這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單但又很有效的協(xié)議具有嵌入式的自組織和自愈能力，大大降低了安裝的復(fù)雜性，確保了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)期而且可預(yù)期的性能。

WIA-PA已于2011年正式成為IEC 62601國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

---WIA-FA

WIA-FA技術(shù)是專門針對(duì)工廠自動(dòng)化高實(shí)時(shí)、高可靠性要求而研發(fā)的一組工廠自動(dòng)化無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案，適用于工廠自動(dòng)化對(duì)速度及可靠性要求較高的工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。采用無(wú)線系統(tǒng)可以使車間內(nèi)更加干凈、整潔，消除線纜對(duì)車間內(nèi)人員羈絆、糾纏等危險(xiǎn)，使車間的工作環(huán)境更加安全,具有低成本、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)在線可重構(gòu)的重要使能技術(shù)，將助推我國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

幾日前，WIA-FA正式成為國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62948）。

專家們用一句話概括了當(dāng)前的局面是：工業(yè)無(wú)線，三足鼎立。

工業(yè)無(wú)線技術(shù)比較

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA這三大國(guó)際工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)各具優(yōu)勢(shì)和特色。

表2 三種協(xié)議性能對(duì)比

工業(yè)無(wú)線技術(shù)的核心技術(shù)包括時(shí)間同步、確定性調(diào)度、跳信道、路由和安全技術(shù)等。表2通過(guò)從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等方面對(duì)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，可以看到三大標(biāo)準(zhǔn)具有相似的特征，其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作為物理層標(biāo)準(zhǔn)。

目前，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)已有大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用設(shè)備被研制出來(lái)，全球已在使用的HART設(shè)備超過(guò)2600萬(wàn)臺(tái)，用戶已經(jīng)具有一定的HART培訓(xùn)和使用經(jīng)驗(yàn)，熟悉WirelessHART無(wú)線協(xié)議只需要極少的改變。艾默生已經(jīng)推出了兼容HART標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)化產(chǎn)品（如無(wú)線適配器）以及WirelessHART儀表、網(wǎng)關(guān)，并投入使用，ABB、E+H、P+F等儀表和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供商都在積極地推出產(chǎn)品。博微公司已經(jīng)研制出國(guó)內(nèi)首款WirelessHART 模塊及網(wǎng)關(guān)，并得到成功應(yīng)用以及良好的客戶反饋，WirelessHART適配器也已經(jīng)在研制過(guò)程中。ISA100.11a也被不少歐美企業(yè)所采用和部署，在工業(yè)無(wú)線市場(chǎng)上取得了廣泛的認(rèn)可，橫河電機(jī)(Yokogawa)和霍尼韋爾(Honeywell)兩大巨頭已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了ISA100.11a中等規(guī)模的系統(tǒng)解決方案。WIA-PA技術(shù)在冶金、石化等領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用，得到了用戶的認(rèn)可。WIA-FA用于實(shí)現(xiàn)傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工廠自動(dòng)化設(shè)備之間，高安全、高可靠、硬實(shí)時(shí)信息交互的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于離散制造業(yè)裝備的智能化升級(jí)。