工業(yè)無(wú)線技術(shù)的ISA100標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、認(rèn)證及使用

引言

工業(yè)無(wú)線技術(shù)是本世紀(jì)初新興的一種面向設(shè)備間信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升，將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控模式的變革，引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向著低成本、高可靠、高靈活的方向發(fā)展。目前，國(guó)際上有Wireless HART、ISA 100和中國(guó)的WIA-PA共3種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2009年，國(guó)際電工協(xié)會(huì)成立了無(wú)線工作組IEC SC65C/WG16，負(fù)責(zé)工業(yè)無(wú)線技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制的工作。

ISA100.11a是最常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì) (The International Society of Automation，ISA)下屬的ISA100工業(yè)無(wú)線委員會(huì)制定，該委員會(huì)致力于通過(guò)制定一系列標(biāo)準(zhǔn)、建議操作規(guī)程、起草技術(shù)報(bào)告來(lái)定義工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程和實(shí)現(xiàn)技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括工業(yè)無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性與有線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的互操作性等，其工業(yè)無(wú)線設(shè)備主要包括執(zhí)行器、傳感器、無(wú)線手持設(shè)備等現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備。

世界著名市場(chǎng)調(diào)研公司ONWorld調(diào)研報(bào)告表明“55%的人計(jì)劃采用ISA100技術(shù)，40%的人說(shuō)計(jì)劃支持無(wú)線HART”。由此可見(jiàn)，ISA100.11a是將會(huì)成為最受關(guān)注、最有影響力的工業(yè)無(wú)線技術(shù)之一，世界各地專項(xiàng)針對(duì)ISA100.11a技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作正如火如荼地進(jìn)行。但是ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)使用自然語(yǔ)言描述，并涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)者對(duì)于協(xié)議的不同理解會(huì)導(dǎo)致不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，甚至?xí)清e(cuò)誤的。因此，ISA100標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一是所有產(chǎn)品必須通過(guò)嚴(yán)格的一致性、互操作性等測(cè)試和認(rèn)證，來(lái)檢測(cè)被測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與協(xié)議規(guī)范的符合程度。

1、 ISA100.11a 概述

ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)(Instrument Society of America,ISA)下屬的ISA100工業(yè)無(wú)線委員會(huì)制定，該委員會(huì)致力于以研制及修訂一系列標(biāo)準(zhǔn)、建議性操作規(guī)章、技術(shù)規(guī)范及指導(dǎo)性文件來(lái)定義工業(yè)環(huán)境下的無(wú)線系統(tǒng)及其相關(guān)規(guī)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)規(guī)范及推廣。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)希望工業(yè)無(wú)線設(shè)備以低功耗、低復(fù)雜度、合理的成本和適當(dāng)?shù)?a target="_blank">通信數(shù)據(jù)速率去支持工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2009年4月24日，ISA100委員會(huì)以81.0%的高贊成率通過(guò)了ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。隨后，基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將越來(lái)越多地被應(yīng)用于工程實(shí)際，最終形成ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群。ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)在遵循歐洲、日本、美國(guó)和加拿大相關(guān)規(guī)范的前提下，適用于全世界各地區(qū)。且ISA100.11a 設(shè)備必須遵循當(dāng)?shù)氐恼吆头ㄒ?guī)要求。

1.1 ISA100.11a 工作組介紹

ISA100.11a工作組是由ISA100.14工作組與 ISA100.11工作組合并而成。其中ISA100.11工作組應(yīng)用于各種控制的無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)同樣經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以適應(yīng)從閉環(huán)調(diào)節(jié)控制到開(kāi)環(huán)手動(dòng)操作的各種控制應(yīng)用;ISA100.14工作組應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控、記錄與報(bào)警的無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)，希望通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化獲得獨(dú)特的性能與成本優(yōu)勢(shì)。該兩工作組相互協(xié)調(diào)，以確保ISA100可以提供完整與集成的工業(yè)無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

ISA100.11a工作組的主要職責(zé)為研制及修訂工業(yè)無(wú)線技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。目前，ISA100.11a工作組主要由系統(tǒng)工作組、匯集工作組、PHY/MAC層工作組、安全工作組、網(wǎng)絡(luò)/傳輸層工作組、網(wǎng)絡(luò)管理工作組、評(píng)估工作組、應(yīng)用層工作組、編輯工作組和網(wǎng)關(guān)工作組共10個(gè)子工作組組成(見(jiàn)圖1)。

1.2 ISA100.11a 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

2006年7月，ISA 100委員會(huì)面向全球征集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案，重慶郵電大學(xué)、浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等三家知名院校與美國(guó)霍尼韋爾公司(Honeywell)、美國(guó)通用電氣公司(General Electric Company, GE)、德國(guó)西門子股份公司(Siemens co.,LTD, Siemens) 等著名國(guó)際公司均提交技術(shù)方案與技術(shù)白皮書(shū)，大力推進(jìn)工業(yè)級(jí)無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化。

2008年4月，重慶郵電大學(xué)在重慶成功舉辦了由“面向自動(dòng)化領(lǐng)域的無(wú)線解決方案”國(guó)際高峰論壇“ISA100 和 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議”和“中國(guó)無(wú)線工廠應(yīng)用高峰論壇”三個(gè)部分組成的“2008 工業(yè)無(wú)線國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)”。

2008年6月，一致性測(cè)試工作組(ISA WCI)通過(guò)決議決定吸納重慶郵電大學(xué)為ISA100測(cè)試工作組的成員且免組員年費(fèi)，同時(shí)確定重慶郵電大學(xué)與美國(guó)NIVIS公司負(fù)責(zé)ISA100標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試驗(yàn)證，并于2009年10月美國(guó)休斯敦舉行的國(guó)際儀器儀表、自動(dòng)控制覽會(huì)上免費(fèi)展示其 ISA100.11a 研究成果。因此，以重慶郵電大學(xué)為代表的國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在 ISA100 工業(yè)無(wú)線技術(shù)方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤研究，我國(guó)在工業(yè)無(wú)線技術(shù)方面，尤其在ISA100 領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)水平。

2008年7月，霍尼韋爾公司宣布推出其工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案One Wireless更新版本，實(shí)現(xiàn)了與ISA100.11a工業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)兼容。下一階段，針對(duì)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議一致性、互操作性等測(cè)試將成為迫切需要解決的問(wèn)題之一。越來(lái)越多的企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)關(guān)注和參與ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的完善和開(kāi)發(fā)等相關(guān)工作，ISA100.11a技術(shù)將是一種具有很大潛力的工業(yè)通信技術(shù)，必將在正興起的工業(yè)無(wú)線領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，引起更多的重視和關(guān)注。

1.3 ISA100.11a 一致性測(cè)試研究

一致性測(cè)試，即驗(yàn)證協(xié)議實(shí)現(xiàn)在多大程度上與相應(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一致。在多個(gè)廠家進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)時(shí)，通過(guò)一致性測(cè)試會(huì)提高人們對(duì)設(shè)備符合相應(yīng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的置信程度，提高相同標(biāo)準(zhǔn)不同實(shí)現(xiàn)之間互聯(lián)的概率，以減少產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)性。標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議并不能確保不同的協(xié)議實(shí)現(xiàn)之間能夠成功地互連互通，所以其需要“協(xié)議一致性測(cè)試”來(lái)對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的正確性和有效性進(jìn)行測(cè)試。

隨著 ISA100.11a 協(xié)議的逐步推廣應(yīng)用，各種相關(guān)產(chǎn)品蜂擁而來(lái)，可對(duì)協(xié)議理解的差異，同一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)會(huì)存在許多不同的實(shí)現(xiàn)版本。為檢查各個(gè)不同生產(chǎn)廠家的 ISA100.11a 實(shí)現(xiàn)是否與標(biāo)準(zhǔn)要求保持一致，并保證協(xié)議的不同實(shí)現(xiàn)版本之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，則須對(duì)協(xié)議進(jìn)行一致性測(cè)試。一致性測(cè)試是開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)產(chǎn)品的重要步驟，是 ISA100.11a 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素。一致性測(cè)試的流程見(jiàn)圖2。

2、 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)框架研究

2.1 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)分析

ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)必須遵循 ISO/OSI 的七層結(jié)構(gòu)，但其只定義了應(yīng)用層(Application laye)、傳輸層(Transport Layer)、網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)(見(jiàn)圖 3)。其中數(shù)據(jù)鏈路層包括ISA100.11a 的 MAC 擴(kuò)展層、IEEE 802.15.4 的 MAC 子層和數(shù)據(jù)鏈路層上層;應(yīng)用層包括應(yīng)用子層、用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理器。

每一層提供了兩種服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(Service Access Port, SAP)，即數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和管理服務(wù)實(shí)體提供管理服務(wù)，上層通過(guò)這兩種服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)使用下層提供的功能服務(wù)。在 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備只能通過(guò) ISA100.11a 應(yīng)用子層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備進(jìn)行通信。在每個(gè)設(shè)備里，設(shè)備管理器是一個(gè)具有管理功能的實(shí)體，可以直接訪問(wèn)應(yīng)用子層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和 DLL 的管理信息庫(kù)。

2.2 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

為了滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，ISA100.11a 必須支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌∕esh、網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，在 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入骨干網(wǎng)，可減小數(shù)據(jù)時(shí)延。舉例說(shuō)明，如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，該設(shè)備與骨干路由器組成的網(wǎng)絡(luò)為 ISA100.11a DLL 子網(wǎng)，ISA100.11a DLL 子網(wǎng)和骨干網(wǎng)就組成了 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)。

再如，現(xiàn)場(chǎng)路由器和終端設(shè)備，經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，骨干路由器通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)。若 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)中接入骨干網(wǎng)，則 ISA100.11a DLL 子網(wǎng)只包含其現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備和骨干路由器，而ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)包含其所有的 DLL 子網(wǎng)、骨干路由器和網(wǎng)關(guān)(見(jiàn)圖4)。

3 、ISA100認(rèn)證

3.1 ISA100認(rèn)證分析

ISA100認(rèn)證為測(cè)試產(chǎn)品的互操作性、安全性、安裝方便性和可靠性的程序，提供了一個(gè)廣泛認(rèn)可的關(guān)于互操作性和質(zhì)量方面的憑證，并確保其具有ISA100.11a功能的產(chǎn)品能滿足最佳的用戶體驗(yàn)。

按照ISA100規(guī)定，需ISA100認(rèn)證的廠商應(yīng)向ISA100授權(quán)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)——無(wú)線兼容委員會(huì) (Wireless Compliance Institute, WCI)遞交申請(qǐng)，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行ISA100認(rèn)證測(cè)試。所以廠商需在網(wǎng)上申請(qǐng)，并獲得ISA100測(cè)試及認(rèn)證服務(wù)。

3.2 認(rèn)證機(jī)構(gòu)分析

ISA100授權(quán)符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室來(lái)測(cè)試廠商的產(chǎn)品。無(wú)線兼容委員會(huì)是符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專門產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)，能夠幫助科技公司更快地將更多的可互操作的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，致力于改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)之間的互操作性。

無(wú)線兼容委員會(huì)是非營(yíng)利性工業(yè)組織，為用戶和技術(shù)開(kāi)發(fā)者提供市場(chǎng)調(diào)查、教育培訓(xùn)信息、技術(shù)支持以及ISA100標(biāo)準(zhǔn)族中工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試認(rèn)證，向ISA標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)提供關(guān)于ISA100設(shè)備和系統(tǒng)的使用反饋，從而促進(jìn)工業(yè)無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的快速改進(jìn)和發(fā)展。

重慶郵電大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所兩家無(wú)線兼容委員會(huì)成員單位。其中重慶郵電大學(xué)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ISA100.11a 協(xié)議測(cè)試方法和系統(tǒng)部分完成多信道測(cè)試分析儀及ISA100.11a 測(cè)試軟件。廠商可以申請(qǐng)成為其成員，把產(chǎn)品拿到無(wú)線兼容委員會(huì)相關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，通過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品會(huì)加認(rèn)證標(biāo)識(shí)(如圖5)，詳見(jiàn)WCI官網(wǎng) 。

3.3 認(rèn)證流程說(shuō)明

若認(rèn)證測(cè)試不合格，廠商則須進(jìn)行整改。如果整改過(guò)程涉及到軟件升級(jí)、設(shè)備更換，則產(chǎn)品須全部重新進(jìn)行檢測(cè)，確保所有的測(cè)試都是在同一個(gè)設(shè)備、同一個(gè)軟硬件版本的限定條件下進(jìn)行的。ISA100認(rèn)證流程見(jiàn)圖6。

3.4 認(rèn)證項(xiàng)目分析

一般情況下，WCI認(rèn)證主要有兩項(xiàng)，包括ISA100.11a設(shè)備互操作性認(rèn)證和ISA100.11a協(xié)議一致性認(rèn)證，且供應(yīng)商也可以購(gòu)買符合WCI認(rèn)證認(rèn)可的測(cè)試工具包進(jìn)行產(chǎn)品檢測(cè)。

ISA.100.11a設(shè)備互操作性測(cè)試套件是WCI認(rèn)證的主要工具，使用戶能夠確保制造商的設(shè)備符合WCI的官方ISA100.11a產(chǎn)品注冊(cè)檢驗(yàn)，確保ISA100在本地模式下，無(wú)線設(shè)備的互操作性與ISA100無(wú)線協(xié)議棧一致性測(cè)試套件相結(jié)合。其組件包括腳本服務(wù)器與軟件、測(cè)試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、測(cè)試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、診斷骨干路由器、參考測(cè)試設(shè)備和以太網(wǎng)路由器。同時(shí)規(guī)定其系統(tǒng)要求為PC和Web瀏覽器。

3.5 會(huì)員制度與收費(fèi)

目前，ISA100所公布的會(huì)員制度及收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

4、 結(jié)語(yǔ)

隨著信息社會(huì)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)線技術(shù)的日益增長(zhǎng)的需求，工業(yè)無(wú)線技術(shù)ISA100將成為可靠好、性價(jià)比高、安全性高的受人青睞的高新技術(shù)。工業(yè)無(wú)線傳感器必將成為工業(yè)過(guò)程測(cè)控的首選，在優(yōu)化資源利用率和提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮著巨大的作用。

而 ISA100 終究會(huì)成為無(wú)線工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主流，ISA100 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證體系日前已成為ISA100標(biāo)準(zhǔn)化工作的主題。截止日前，中國(guó)對(duì)無(wú)線工業(yè)技術(shù)認(rèn)證環(huán)節(jié)較為欠缺，盡管近些年來(lái)在這一方面做出了巨大的努力并取得了一定的成績(jī)，但與國(guó)際水平相比仍有一定差距。總之，ISA100 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其認(rèn)證體系的建立是 ISA100 占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位的前提和關(guān)鍵，我國(guó)在工業(yè)無(wú)線技術(shù)中應(yīng)要不斷革新，積極借鑒國(guó)際先進(jìn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步完善我國(guó)工業(yè)無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證與市場(chǎng)規(guī)范化的體系，樹(shù)立中國(guó)品牌與中國(guó)信譽(yù)。

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