各行各業(yè)的很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，往往并存多項(xiàng)子標(biāo)準(zhǔn)，不同國家、不同的制造商推出不同子標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。享有共同利益的國家、制造商抱成一團(tuán)，力推自己的子標(biāo)準(zhǔn)，拓展該子標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域，以擴(kuò)大其影響范圍。這種狀況造成的后果是各自為政，各受其害。以火車的軌距為例，據(jù)說全球有三十幾種標(biāo)準(zhǔn)，常見的有米軌(1000mm軌距)、準(zhǔn)軌(1435mm軌距)、寬軌(1524mm軌距)。美、中、日、韓及大部分歐洲國家都采用準(zhǔn)軌。車不同軌，就無法直接連通，所以現(xiàn)在中歐班列運(yùn)行途中要有一次或兩次換軌，這就是人為的障礙。
自動化行業(yè)也是這樣。以現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)為例，國際上較有影響的現(xiàn)場總線就有四十多種，列入IEC 61158第二版的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)八種，到第三版時又增加了兩種，這還不包括列入設(shè)備層現(xiàn)場總線和控制器局域網(wǎng)、交通工具局域網(wǎng)的多種現(xiàn)場總線。雖然很多用戶曾寄希望于統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上由于技術(shù)原因和利益驅(qū)動，用戶的期望一直未能實(shí)現(xiàn)。如愛默生過程管理公司主推的FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)在過程自動化應(yīng)用頗多；而西門子公司Profibus現(xiàn)場總線早期主要用于工廠自動化，為擴(kuò)展其影響，西門子在Profibus-DP的基礎(chǔ)上又開發(fā)出Profibus-PA以適用于過程自動化。用戶如果同時使用了FF、Profibus-PA兩類現(xiàn)場總線設(shè)備，就必須分別使用這兩類現(xiàn)場總線的接口(如總線模塊、耦合器等)與上位控制系統(tǒng)連接，沒有對應(yīng)的現(xiàn)場總線接口或想在同一個網(wǎng)段上接入不同現(xiàn)場總線設(shè)備是行不通的。
過程自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)也存在這個問題。國際電工委員會先后批準(zhǔn)了三個標(biāo)準(zhǔn): WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a。這就在工業(yè)無線領(lǐng)域形成了三個標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，由此帶來了標(biāo)準(zhǔn)之間互通性差、多標(biāo)準(zhǔn)支持設(shè)備研發(fā)周期長、成本等問題。
大多數(shù)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的潛在用戶可能會選擇三種主流無線技術(shù)中的一種，并接受這種排它性的選擇-要么是ISA100.11a，要么是WirelessHART，要么是WIA-PA。
在許多情況下，這種選擇可能是他們選擇分散控制系統(tǒng)的直接結(jié)果。比如選擇了艾默生過程管理公司的Delta V DCS，就要用WirelessHART；選擇了霍尼韋爾公司的Experion DCS，就要用ISA100.11a。這樣的結(jié)果有時讓用戶非常煩惱：他們選擇的現(xiàn)場儀表供應(yīng)商所支持的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，和他們選擇的DCS供應(yīng)商所支持的無線通信標(biāo)準(zhǔn)并不一致。
1、自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合的方式分析
2012年12月，F(xiàn)F宣布與國際自動化學(xué)會自動化標(biāo)準(zhǔn)委員會ISA100合作，提出了一個通用的框架，允許多個工業(yè)通信協(xié)議通過共享無線集成架構(gòu)在過程自動化系統(tǒng)中運(yùn)行，使現(xiàn)場總線連接到遠(yuǎn)程I/O模塊和ISA100.11a、WirelessHART、有線H1協(xié)議集成到單一的標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境中。其被稱為基金會的遠(yuǎn)程操作管理ROM，是通過第三方的開放融合，以便為用戶提供更高的可靠性和更低成本的遠(yuǎn)程操作。這個框架保持了“基礎(chǔ)設(shè)施”戰(zhàn)略，而不是試圖在無線設(shè)備水平方面競爭。2013年9月，現(xiàn)場總線基金會宣布，已發(fā)布了用于訪問ISA100.11a傳感器模塊的無線設(shè)備的現(xiàn)場總線基 金 會初步規(guī)范(preliminary specification，PS)。該規(guī)范定義了ISA100.11a設(shè)備到基金會現(xiàn)場總線的接口。
按用戶的意愿和基金會的遠(yuǎn)程操作管理ROM的框架，設(shè)想有以下幾種自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合的方式：
①無線網(wǎng)絡(luò)各自的無線網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，往下接收不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場設(shè)備的信號，往上分別接入控制系統(tǒng)。雖然小的無線網(wǎng)絡(luò)分屬不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)，但大的網(wǎng)絡(luò)兼容了不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)。
②無線網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備固件中嵌入WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a中的三個或兩個無線通信標(biāo)準(zhǔn)的通信棧。與每個標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)經(jīng)接入設(shè)備被路由到各自的網(wǎng)絡(luò)管理器(network manager，NM)或系統(tǒng)管理器(system manager，SM)。
③在無線網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備固件中嵌入多個無線通信標(biāo)準(zhǔn)的通信棧基礎(chǔ)上，開發(fā)融合多個無線通信標(biāo)準(zhǔn)的管理器。這樣所有無線現(xiàn)場設(shè)備的路由、通信、信道分配和時間槽的使用統(tǒng)一由一臺智能網(wǎng)絡(luò)管理器控制。這種融合方式可以理解為最底層的無線通信網(wǎng)絡(luò)中三大標(biāo)準(zhǔn)的無線現(xiàn)場設(shè)備共存，但往上就只有統(tǒng)一的接入設(shè)備、統(tǒng)一的管理器。
④無線通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，即無線現(xiàn)場設(shè)備的通信協(xié)議、接入設(shè)備、管理器統(tǒng)一。
按上述次序，融合等級逐步升高，第一種方式相對容易做到，只是應(yīng)用的實(shí)例很少；第二種方式需要采用的設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)的通信管理也欠合理；第三種方式實(shí)現(xiàn)了共存，用戶可以接受；第四種方式是我們真正期望的，但也是最難實(shí)現(xiàn)的。
2、自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合的可能性
多種無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的融合既是過程行業(yè)用戶一致的要求，也是無線通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的一個大趨勢，它可以提供遠(yuǎn)程操作的更高可靠性和更低成本。三大標(biāo)準(zhǔn)合作的技術(shù)基礎(chǔ)原本是存在的。 因?yàn)閃irelessHART、WIA-PA和ISA100.11a的物理層都基于IEEE 802.15.4，都在2.4GHz的頻譜中工作，并采用某種形式的跳頻技術(shù)，提供芯片和通信協(xié)議棧的商家往往同時提供這幾種技術(shù)的部件。而在WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a三 大標(biāo)準(zhǔn)和ISA國際自動化學(xué)會的ISA100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會的內(nèi)部，還包括很多相同的會員。
但實(shí)際上三大標(biāo)準(zhǔn)差別很大，無法相互兼容。以WirelessHART和ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)為例。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)是由HART通信基金會較早創(chuàng)立，它的意愿是通過無線網(wǎng)絡(luò)，盡可能簡單地傳輸HART數(shù)據(jù)，并可通過常見的HART工具和方法來安裝和管理數(shù)據(jù)。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)則是由來自超過250個國家的專家所組成的一個開放標(biāo)準(zhǔn)組織，是一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的電信協(xié)議，用于過程數(shù)據(jù)的輸出，并盡可能滿足多種應(yīng)用要求。它的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)高效的、以EDDL為標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)的傳輸。
所以自動化行業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合在技術(shù)上有基礎(chǔ)，但又有一定的難度。
3、無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合技術(shù)的發(fā)展
無線通信標(biāo)準(zhǔn)融合技術(shù)的開展大體可分為三個方面: ISA100.12工作組、NAMUS融合工作組和制造商工作組。
3.1 ISA100.12工作組
在WirelessHART、WIA-PA和ISA100.11a問世之初，在ISA名下成立ISA100.12工作組，負(fù)責(zé)尋找WirelessHART和ISA100.11a無線標(biāo)準(zhǔn)融合的技術(shù)途徑。當(dāng)時認(rèn)定實(shí)現(xiàn)無線標(biāo)準(zhǔn)融合技術(shù)途徑的唯一方法是發(fā)布提案申請，后有3個團(tuán)隊(duì)提出申請。但最終這些團(tuán)隊(duì)沒有解決以下核心問題: 網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的定義能夠取代ISA100.11a和 WirelessHART及提供兩個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的反向兼容。代表ISA100.11a和WirelessHART供應(yīng)商的兩個團(tuán)隊(duì)都不能接受修改自己基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的要求，因此無法達(dá)成任何妥協(xié)協(xié)議。其原因非技術(shù)方面，而是集中在營銷效應(yīng)方面。2013年，ISA100.12工作組已決定放棄在無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)融合方面的努力。
3.2 NAMUS融合工作組
幾乎就在同一個時間段，以德國測量與控制標(biāo)準(zhǔn)委員會(NAMUS)為首的用戶組織經(jīng)過研究，發(fā)布了NE133“無線傳感器網(wǎng)絡(luò): 對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的融合要求”報告，希望三種工業(yè)無線國際標(biāo)準(zhǔn)能夠融合為單一的標(biāo)準(zhǔn)，從而方便全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的部署。為了響應(yīng)用戶需求，成立了融合工作組負(fù)責(zé)融合技術(shù)的研究與標(biāo)準(zhǔn)制定。2010年8月，在倫敦的Heathrow(希思羅)機(jī)場召開了工作組第一次會議，工作組即以希思羅命名。2011年 3月底，在瑞士的融合工作組會議形成備忘錄決定成立技術(shù)工作組?；谠诠I(yè)無線領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，重慶郵電大學(xué)是希思羅工作組的五名核心成員之一和技術(shù)工作組主要成員，長期參加工業(yè)無線融合標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，該工作組已經(jīng)起草了工作組的Position Paper，完成了議事規(guī)則的制定，完成了對三個標(biāo)準(zhǔn)的前期分析、融合框架及路線圖的制定，達(dá)成分三步開展工作的共識。
希思羅工作組融合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)第一步方案如圖1所示。分析圖1的共存方案，應(yīng)該是由三大標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)借助骨干網(wǎng)通過各自的接入點(diǎn)AP或路由器(BBR、RTR)分別接入三大標(biāo)準(zhǔn)各自的網(wǎng)絡(luò)，然后再通過網(wǎng)關(guān)有線接入上位控制系統(tǒng)。
圖1 希思羅工作組融合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)第一步方案
第二步完成漸進(jìn)式融合。第三步以單一的ISO/OSI層過程儀表協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備、統(tǒng)一的連接點(diǎn)、統(tǒng)一的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的最終融合。這里的現(xiàn)場設(shè)備、接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)均以希思羅令名，如希思羅現(xiàn)場設(shè)備、希思羅連結(jié)點(diǎn)、希思羅網(wǎng)關(guān)。希思羅工作組融合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)第三步方案如圖2所示。
圖2 希思羅工作組融合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)第三步方案
3.3 制造商的工作
作為ISA100的核心成員單位，美國尼維斯(Nivis)公司以其管理和優(yōu)化網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的軟件而聞名，同時在利用ISA100.11a、WirelessHART和6LoWPAN開發(fā)基于標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)狀通信堆棧方面擁有豐富的知識。尼維斯公司是目前能同時提供ISA100.11a和WirelessHART兩種流程行業(yè)無線產(chǎn)品供應(yīng)商，其無線節(jié)點(diǎn)和路由器用在ISA100.11a和WirelessHART的型號是相同的，使用戶能夠在單一的硬件上運(yùn)行任何一種標(biāo)準(zhǔn)。如VersaRouter910路由器既支持ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)，也支持WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)，擁有在同一平臺上運(yùn)行的軟件。因此VersaRouter910是一個雙啟動(dual boot)硬件，是集全功能于一身、專門為客戶提供無線解決方案設(shè)計(jì)的工業(yè)級無線主干路由器。
尼維斯公司還生產(chǎn)VersaNode 210和VersaNode 310雙棧無線通信模塊，可供廠商將其集成到無線變送器中。雙棧無線通信模塊再通過雙棧AP接入點(diǎn)接入信息后，與每個通信標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的數(shù)據(jù)被路由到它自己的NM或SM。稍后推出的VersaManager 3000系統(tǒng)管理器，結(jié)合了ISA100.11a NM和WirelessHART SM的管理器功能，可統(tǒng)一調(diào)度路由、通信、信道分配和時間槽的使用，可排除不同網(wǎng)絡(luò)之間的干擾，然后通過一臺接口與主機(jī)通信。 2010年6月22日，尼維斯公司宣布發(fā)布新型WirelessHART網(wǎng)關(guān)。其雖然被稱為WirelessHART網(wǎng)關(guān)，但卻創(chuàng)新地采用了基于WirelessHART和ISA100.11A無線通信標(biāo)準(zhǔn)的雙協(xié)議解決(dual protocol solution， DPS)方案。通信堆棧和硬件將同時支持這兩種協(xié)議，無線網(wǎng)絡(luò)也能同時集成這兩種類型的設(shè)備。
2013年4月16日，尼維斯公司又宣布，該公司將開放其ISA100.11a和Wirelesshart軟件平臺的開源產(chǎn)品，將包括ISA100.11A和WirelessHART所有軟件的組件: 即ISA100.11A 的現(xiàn)場設(shè)備、主干路由器、網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)管理器、安全管理器和WirelessHART的現(xiàn)場設(shè)備、接入點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理器和安全管理器，是同時擁有ISA100.11A和WirelessHART堆棧的公司，并通過了各自的標(biāo)準(zhǔn)管理機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。
羅馬尼亞控制數(shù)據(jù)系統(tǒng)(control data systems，CDS)公司收購了尼維斯公司的工業(yè)無線技術(shù)及相應(yīng)的產(chǎn)品，仍保留尼維斯公司原有ISA100.11a 和WirelessHART無線產(chǎn)品的型號和功能。
2017年6月20日，愛默生過程管理公司宣布了一種新的雙模無線網(wǎng)關(guān)，支持IEC 62951 WirelessHART和ISA100.11A工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)。所采用的方案是集成到Cisco 1552WU的雙模無線網(wǎng)關(guān)。 而Cisco 1552WU是一種結(jié)合了WirelessHART和WiFi解決方案的工業(yè)加固無線解決方案。這一新產(chǎn)品擴(kuò)展了愛默生的無線產(chǎn)品組合，為客戶提供了一種簡單的方式，可以利用許多供應(yīng)商提供的WirelessHART和ISA100.11a工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的無線技術(shù)。
2018年3月，霍尼韋爾公司在資料中介紹: 在符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的OneWireless產(chǎn)品中，給無線Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)(field device access point，F(xiàn)DAP)賦予多協(xié)議、多應(yīng)用、多標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)新的功能。
Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備具備兼容IEEE 802.11a/n(5GHz)和802.11b/g/n(2.4 GHz)的三個兩段式射頻，還具備以太網(wǎng)、光纖以及小型可插拔(SFP)回程選項(xiàng)，可為ISA100.11a和WirelessHART現(xiàn)場儀表、使用平板計(jì)算機(jī)等設(shè)備的WiFi客戶端和以太網(wǎng)設(shè)備等提供完美的解決方案。節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)配有ISA100.11a和WirelessHART多協(xié)議的無線通信，可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸提供回程鏈路。
Cisco Aironet 1552S可提供單盒式解決方案，并且無需使用兩個獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)(一個用于802.11n網(wǎng)絡(luò)，另一個用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò))。FDAP可以作為接入點(diǎn)、路由器或網(wǎng)關(guān)使用，現(xiàn)在可用于接入ISA100.11a和WirelessHART現(xiàn)場儀表，還可將無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)大。霍尼韋爾公司OneWireless多協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。圖3中，有2臺現(xiàn)場設(shè)備接入點(diǎn)FDAP，右側(cè)的一臺接入WirelessHART現(xiàn)場儀表信號；左側(cè)的一臺以有線以太網(wǎng)方式接入一臺控制設(shè)備(PLC)的信息，然后 以ISA100.11a無線方式將信息傳送到Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備。這臺Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備與其左側(cè)的另一臺Cisco Aironet 552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為根接入點(diǎn)與Experion控制系統(tǒng)有線連接。Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它以三種無線方式分別與三臺無線現(xiàn)場設(shè)備通信: 與WirelessHART現(xiàn)場儀表以WirelessHART無線方式通信，與ISA100.11a現(xiàn)場儀表以ISA100.11a無線方式通信，與手持式現(xiàn)場巡檢儀以WiFi無線方式通信。而在Cisco Aironet 1552S節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間，則以IEEE 802.11無線回傳方式通信。
圖3 霍尼韋爾公司OneWireless多協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)
綜上所述，無論是由國際自動化學(xué)會組織的ISA100.12工作組，還是由用戶組織的NAMUS融合工作組，皆以標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一為目標(biāo)，可能會觸動制造商的利益，后續(xù)工作難以繼續(xù)。而來自制造商的工作，雖然能達(dá)到融合的目標(biāo)，但多以標(biāo)準(zhǔn)的兼容為手段。但無論最終走到哪一步，無線通信標(biāo)準(zhǔn)還是走在現(xiàn)場總線的前面，雖然未能做到標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，但至少做到了標(biāo)準(zhǔn)的融合。
在三大無線通信標(biāo)準(zhǔn)誕生之后，用戶就極力呼吁“無線通信標(biāo)準(zhǔn)的融合統(tǒng)一”。這項(xiàng)工作歷經(jīng)周折，專門成立的融合工作小組因意見分歧太大而終止工作。但在用戶多年極力推動下，一部分生產(chǎn)廠商不斷努力，朝融合方向前進(jìn)的無線通信產(chǎn)品架構(gòu)終于問世。這可看成是自動化行業(yè)無線通信技術(shù)獲得突破的一個標(biāo)志。
