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现场设备未来会使用统一的无线协议吗?

发布时间:2020-07-08 发布时间:
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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。

图1 在某炼油应用中,多个现场温度变送器可以同时处理多个温度探头。图片来源:Yokogawa

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。



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