1 引言
智能工业是将信息技术、网络技术和智能技术应用于工业领域,给工业注入“智慧”的综合技术。它突出了采用计算机技术模拟人在制造过程中和产品使用过程中的智力活动,以进行分析、推理、判断、构思和决策,从而去扩大延伸和 部分替代人类专家的脑力劳动,实现知识密集型生产和决策自动化。
在智能工业中,物联网技术起到了关键性的作用。物联网依托无线传感器网络,充分融合传感器、计算机网络等现代化技术,可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”,获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,提高产能及安全性,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。通过发展物联网技术将极大提升工业控制领域的节能减排。近几年来,无线传感器网络技术已逐渐向工业领域迈步,成为工业控制领域的革命性技术,是继现场总线之后工业控制领域的又一热点技术,是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围最有潜力的技术,也是未来几年工业自动化发展的新方向[1]。
工业无线技术作为一种新兴的工业通信技术,它为物联网在工业领域的快速应用奠定了技术基础[2]。为了促进工业无线技术在工业现场中的应用,许多国际组织开始积极地围绕工业无线技术通信开展标准制定。其中包括ISA100、WirelessHART以及我国的WIA-PA。ISA100.11a标准由美国仪器仪表协会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定,ISA100.l la标准在遵循欧洲、口本、加拿大和美国相关规范的前提下以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用;WirelessHART标准的设计目标主要是使得无线通信兼容现有的有线HART协议,使得产品容易集成到现有系统中。WIA-PA是我国沈阳自动化研究所自主研发的,用于工业过程自动化的无线网络标准,具有重要的科研意义。
2 ISA100.11a的应用现状
ISAl00.11a标准由美国仪器仪表协会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定,以用户需求为导向,该委员会致力通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。ISAl00.lla标准的主要内容包括工业无线的网络构架、各层协议、相关设备角色、兼容性等。ISAl00.lla标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用。世界著名市场调研公司ONWorld的2007年度调研报告表明“55%的人计划采用ISA100技术,40%说计划支持无线HART”。由此可见,ISA100.11a是目前国际上使用率最高、最有应用前景的工业无线技术,各大企业及科研机构已开始涉足于ISA100.11a工业无线的研究。
一些国际大公司已经投身于工业无线网络产品的实用化,例如横河电机、霍尼韦尔、西门子、艾默生、通用等,都推出了成套的工业无线网络产品,并已经在工程中应用。2009年,ISA100.11a Wireless Compliance Institute(无线兼容委员会)在美国德克萨斯州Arkema公司的Crosby工厂进行了实际生产环境下的ISA100.11a设备互操作性测试。测试中,ISA100.11a设备被安装在消防水箱液位计、冷藏室温度传感器、各种传气体感器与阀门等设备上,并且将一些现有仪表输出的模拟信号或HART协议信号通过ISA100.11a网络进行传输,送至中心控制室进行统一监控。在现场布署了一个ISA100.11a骨干网,连接两个骨干路由器,组建了覆盖整个工厂的无线网络。经过测试,不同公司送测的ISA100.11a兼容设备都通过了WCI的互通测试。
3 ISA100.11a标准协议概述
ISA100.11a工业无线网络标准是ISA100开放标准族中的首个标准。其主要特征如下[1]:
1) 着重于现场设备在过程制造中的应用,并且已定义了自动化应用类,而不仅限于在过程安全和低延迟的应用。
2) 低消耗电力,节点设备在电池供电的情况下可使用3至5年,非常适合大规模布署。
3) 支持异构网络,通过骨干路由器可方便接入高带宽、高速率骨干网,扩大网络应用范围。
4) 物理层使用IEEE 802.15.4射频标准,采用“分层”的方法保证了协议栈各层间运作的独立性。采用“接口定义”又为各层间的功能调用提供了便捷的方法。
5) 采用跳频的TDMA方式进行通信,对干扰有较强的抵抗能力,并且支持自适应跳频,能很好的与其他的无线设备共存。
6) 支持智能隧道和映射技术,能简单地通过无线介质传输各种应用协议。
7) 具有完整的安全和网络管理解决方案,确定性调度能为工业应用提供可靠操作保证。
8) 灵活的时隙长度,使ISA100.11a系统适应不同的设备,既可适用于周期性传送并需要时间同步的设备,又可适用于触发传送并长期休眠不需要时间同步的设备。
ISA100.11a体系架构参照了OSI七层模型的设计思想,经过简化,只保留了物理层(PHL)、数据链路层(DLL)、网络层(NL)、传输层(TL)和应用层(AL)。其中,ISA100.11a的数据链路层对IEEE 802.15.4的MAC层进行了扩展,包括IEEE 802.15.4子层、ISA100.11a的MAC扩展层以及数据链路层上层[3][4],如图1所示。 在此基础之上,ISA100.11a还定义了一系列功能实体,包括系统管理器、安全管理器、冗余设备、终端设备等。
ISA100.11a协议栈的各层均定义了两种服务访问点(SAP, Service Access Point),分别是数据服务访问点(DSAP,Data Service Point)以及管理服务访问点(MSAP, Management Service Access Point)。上层通过“接口”调用下层所提供的功能,下层则通过“服务”的方式为上层提供所需功能。如图2所示。
ISA100.11a网络支持星型、网状网、星型-网状网等拓扑结构,以适应不同的工业网络需求。此外还引了入骨干网,骨干网利用6LoWPAN技术,大大提高了ISA100.11a网络的扩展性与先进性。
ISA100.11a立足于工业应用,为了增强无线网络的安全性与可靠性规定在传输层及数据链路层同时进行数据加密,如图3所示。在设备加入网络、设备间对话的建立、密钥更新等这些方面对无线安全进行管理,提供多种安全等级的应用,保证用户无线数据的安全。
4 ISA100.11a特色
ISA100.11a之所以能从众多的国际无线标准中脱颖而出,成为最受欢迎的无线技术,归功于其制定过程一直立足于用户的需求,通过多种其它标准无法提供的先进技术,灵活支持多种不同的需求的工业自动化现场。其具有以下特色:
4.1 支持异构网络
ISA100.11a支持异构网络,采用IP技术与IEEE 802.15.4融合的方法,DL子网以及骨干网络共同组成了完整的ISA100.11a网络。在ISA100.11a协议数据包中,网络层的数据帧格式完全按照6LoWPAN标准定义[5][6],以使其能最大限度地支持IPv6。当子网数据到达骨干网后,在骨干网上采用6LoWPAN技术进行传输,如图4所示。
6LoWPAN技术的使用大大提升了无线网络的整体性能,最终应用也可以采用全球唯一的IPv6地址与每一个特定的传感器终端进行通信,提高了数据的准确定与可靠性。此外,得益于骨干网络高速率、高带宽的优势,可靠的数据链路可以减少无线数据的跳数及传输的不确定因素,尤其在网络规模较大时,骨干网的使用能大大提高整个网络的性能及稳定性,在减少传输时延、降低安全风险以及节省路由设备能耗等方面起着重要作用,促进了传感器数据能在更大的范围内得以采集使用。图5显示了不同子网间的传感器数据的传递,源设备发送的数据经由骨干路由器组成的骨干路由路径发送到目标设备。ISA100.11a网络没有明确规定骨干网的相关实现细节,骨干网既可以是以太网,又可以是工业现场总线,从而满足了不同应用的需求。
4.2 与现有系统兼容、共存
ISA100.11a网络的物理层遵循IEEE 802.15.4-2006标准,采用免费的ISM频段,工作在2.4GHz。由于该频段的公开性,无线数据的传输容易受到其它设备的干扰,如WIFI等。对于低速无线设备而言,这些干扰往往是致命的,WIFI的巨大吞吐量会导致设备间传输数据的严重丢包,从而使系统瘫痪,尤其对于工业应用而言,这种情况更不允许发生。传统的Zigbee等无线标准,均没有定义相应的抗干扰的方法,因此Zigbee不适合应用于工业环境中。ISA100.11a提供了一个全面的共存策略,通过跳信道的方式,使无线频段工作在不同的信道中,有效避免干扰,跳信道过程如图6所示。图中,在某个时间段如果当前信道质量较差,ISA100.11a会进行信道自动评估,根据评估结果择优选择质量较好信道工作,因此,大大提高了无线传输的可靠性与稳定性[7]。
除了能抵抗外部干扰,对于非本地的协议数据包需要在ISA100.11a网络中进行传输时,ISA100.11a也提供了有效的措施与之共存。ISA100.11a协议通过应用层提供本地和隧道协议,非本地协议数据以有效载荷的方式加入到应用层数据包中,实现透明传输,大多数情况下通过网关到达其它设备上,最大限度地兼容现有系统的传输协议。
5 结束语
未来是物联网的社会,物联网技术必将推动智能工业的发展。ISA100.11a是物联网应用于工业领域的核心技术,它的发展必将推动传统的工业过程控制新局面的形成,在提高生产效率、降低生产成本、保障生产安全以及减少环境污染等方面发挥着重要作用。
ISA100.11a是目前国际上最先进的工业无线技术之一,其开发难度较大,在国内尚没有成熟的产品。ISA100.11a除了WirelessHART规范中的所有的一般技术特点以外,还具有更多独一无二的技术优势,如:无线主干网络设备、主干网络路由设备的标准接口、Duocast冗余设计、共享和专用的时隙、多重DLL子网、在线远程无线软件升级和组态、基于IPv6 over Low Power WPAN (6LoWPAN)的网络层设计等。因此基于ISA100.11a展开研究,对于我国发展智能工业有着重要的战略意义。
参考文献:
[1] 王平,王泉,王恒等,工业无线技术ISA100.11a的现状与发展[J].中国仪器仪表,2009,(10):59-63.
[2] 冯冬芹,黄文君等.工业通信网络与系统集成[M]．北京:清华大学出版社,2006.
[3] ISA100 Committee.ISA-100.11a-2011,Wireless systems for industrial automation:Process control and related applications[Z].2011.
[4] IEEE Std 802.15.4-2006.Wireless Medium Access Control and Physical Layer Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[Z].2006.
[5] Draft-IETF-6LoWPAN-Compression Format for IPv6 Datagrams in 6LoWPAN Networks[Z],December,2008.
[6] RFC4944-Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks[Z],G.Montenegro,N.Kushalnagar,J.Hui,D.Culler,September,2007.
[7] 王平,刘其琛,王恒等.一种适用于ISAl00.11a工业无线网络的通信调度方法[J].仪器仪表学会,2011,(5):20-24.
作者简介:张建奇(1975-),男,高级工程师,主要从事自动化控制与技术及物联网的研究。