摘要：国际电工委员会先后批准了过程自动化行业三个无线通信标准：WirelessHART、WIA-PA和ISA.11a，用户曾寄希望过程自动化行业无线通信标准能够统一。分析了三个标准有统一的可能性，但也有一定的难度，无线通信标准统一有几个层次：混合、可选、融合、统一。本文分析了过程自动化行业无线通信标准统一的方式、三大无线通信标准统一的可能性以及无线通信标准统一技术的发展。NAMUR和ISA.12为此做了很多工作，但均未达到无线通信标准统一的目的，或者至少能做到在单一架构下管理多个无线通信标准网络的实时数据。ISA.12做了一些工作后宣布结束这项工作，解散无线标准融合工作组。
但一些制造商在这方面继续努力，它们按无线标准融合的思路开发一些网关、接入点等新产品，使不同标准的无线现场设备可在一个网络同时工作，这可以看作是过程自动化行业无线通信标准统一技术获得阶段性突破的一个标志。
关键词：无线通信标准；统一；融合；双模；多标准
01
概述
过程自动化行业制订了多个国际标准，这在很大程度上推动了行业技术的进步与发展。比如4~20mA(1~5V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统用模拟信号标准，以往还有过0~10mA、0~5V、0~10V信号制，但全球市场上的仪表如果输出信号不是4~20mA，或者接收信号不是4~20mA，你就很难找到销售对象，这是自动化仪表国际标准规定的一个成功范例。我国年开始研制、年组织统一设计的DDZ-II型电动单元组合仪表采用的是0~10mA信号制，不符合过程控制系统用模拟信号标准，但由于当时的中国自动化仪表市场是相对封闭的，所以以DDZ-II型电动单元组合仪表还能成为主流仪表盛行了一段时间。但在国外仪表4~20mA信号制的冲击下，年国内组织的DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表统一设计时，就放弃了0~10mA信号制，而采用了4~20mA信号制。很多企业也因为两种信号制很难混合使用，不得不过早将正在使用的大量DDZ-II型电动单元组合仪表淘汰，仪表生产厂也要转型，淘汰DDZ-II型电动单元组合仪表，转型生产DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表。所以没有采用国际通用标准，使我国自动化仪表发展延缓，走了一段弯路，也付出了沉重的代价，这段历史经验教训值得我们总结。
但有些过程自动化国际标准却令用户叫苦，如现场总线标准，仅列入IEC第二版的现场总线标准就多达八种，到第三版时又增加了二种，这还不包括列入设备层现场总线和控制器局域网、交通工具局域网的多种现场总线，据说在国际上较有影响的就有四十多种。虽然很多用户曾呼吁能有统一的现场总线标准，但实际上由于技术原因和利益驱动，各类现场总线标准的制定者之间经历了“现场总线大战”，而用户的期望一直未能实现。大战的结果是在过程自动化领域爱默生过程管理公司主推的FF现场总线标准应用较多，在工厂自动化领域西门子公司主推的Profibus现场总线应用较多。为了竞争，西门子公司又在Profibus-DP的基础上又开发出Profibus-PA，以适用于过程自动化。用户如果同时使用了FF、Profibus-PA两类现场总线设备，就必须分别使用这两类现场总线的接口（如总线模块、耦合器等）与上位控制系统连接。现场总线已经推行了二十多年，但至今只见到在控制系统里通过各类现场总线的接口接入各类现场总线，而从未见到在同一个网段上接入不同现场总线的设备。
现场总线之后，自动化仪表发展过程另一个标志性的成果是无线通信标准，不说通用的无线通信标准，仅过程自动化行业来说，国际电工委员会先后批准了三个标准：WirelessHART、WIA-PA和ISA.11a，这样在工业无线领域形成了三个标准共存的局面，由此带来了像现场总线标准一样的问题：多标准支持的设备互通性差、研发周期长、成本高等问题，用户是又关心、又担心。关心的是，主要仪器公司实际上支持两种相互竞争的无线网络标准。在WirelessHART产品的背后，站着爱默生、ABB、西门子、E+H等大公司，在ISA.11a产品的背后，又站着霍尼韦尔、横河、英维思、通用电气等大公司；担心的是，就标准来说，无线通信网络会不会变成上一个现场总线。在许多情况下，无线通信标准选择可能是他们DCS选择的直接结果，比如选择了爱默生过程管理公司的DeltaVDCS，就要用WirelessHART，选择了霍尼韦尔公司的ExperionDCS，就要用ISA.11a。这样做有时让用户非常烦恼：他们喜欢的现场仪表制造商所支持的无线通信标准，和他们喜欢的DCS制造商所支持的无线通信标准并不一致。如果再加上中国的用户，那所有的用户不得不接受这个现实，只能在三种主流无线通信技术中选择一种，同时也接受这种排它性的选择——要么是ISA.11a，要么是WirelessHART，要么是WIA-PA，用户为难了！
所以，终端用户要问，无线通信标准何时能统一呢？怎样能统一呢？
图1终端用户期盼无线通信标准统一
标准统一对制造商的市场推广有什么价值呢？
自动化和IT企业咨询公司ARC为工业无线传感器网络的应用开发了这样一个市场模型，无线通信网络，就像任何渗透到一个既定市场的技术一样，一开始只渗透一点点，然后随着客户和制造商了解其价值和能力而增长。在某一点上，完全成熟的技术达到了“饱和”的程度，在这一点上，它已经尽可能地渗透到市场。统一的标准与多种竞争的标准相比，这条应用曲线可以提前到达“饱和”点，使市场前期增长速度加快，从而为制造商带来额外收入（见图2）[1]。
图2标准统一改变了市场应用曲线
02
统一的可能性和难度
多种无线通信技术标准的统一既是过程行业用户一致的要求，也应该说是无线通信标准发展的一个大趋势，它可以提供无线通信网络更高的可靠性和更低的成本。三大标准合作的技术基础原本是存在的，因为WirelessHART、WIA-PA和ISA.11a的物理层都基于IEEE.15.4，都在2.4GHz的频谱中工作，都是为短距离慢数据速率设备的低功耗通信而设计的，都采用某种形式的跳频技术，都使用AES-加密和安全的网络连接机制，都提供了与认证设备多制造商的互操作性，都在类似的生产过程应用，而提供芯片和通信协议栈的商家往往同时提供这几种技术的部件，在WirelessHART、WIA-PA、ISA.11a三大标准和ISA国际自动化学会的ISA工业无线标准化工作委员会的内部，还包括有很多相同的会员。
但实际上三大标准差别又很大，无法相互兼容。以WirelessHART和ISA.11a标准为例，WirelessHART标准是由HART通讯基金会较早创立，它的意愿是通过无线网络，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。ISA.11a标准则是由来自多个国家超过位专家所组成的一个开放标准组织较晚创立，是一种基于无线网络的电信协议，用于过程数据的输出，并尽可能满足多种应用要求，它的设计主要是为了实现高效的以EDDL为标准的现场总线数据的传输。
下文提到的ISA.12无线标准融合工作组曾就WirelessHART和ISA.11a之间基本技术的不兼容性总结了以下五点：时间同步、时隙时间、网络生成方法、网络寻址、传输层。如网络生成方法，WirelessHART使用动态专有方法来生成网格；而ISA.11a以专有方式动态形成网状关联，包括形成duocast链路。WirelessHART支持网格的冗余路径，但不在同一时隙内传输到冗余节点；而ISA.11a使用的duocast方法在同一时隙内向主节点和duocast节点发送冗余消息。再如传输层，WirelessHART创建了一个独特的传输层，以确保端到端传递消息；ISA.11a使用互联网标准UDP方法来确保端到端传递消息[2]。除非所有这五个基本技术的不兼容性都得到解决，否则WirelessHART和ISA.11a之间的互操作性是不可能的。
所以自动化行业无线通信标准统一在技术上有基础，但又有非常大的难度，因为任何一个标准的持有者基本不愿对自身的标准做任何改动，标准之间那么多差异，谁都不肯让一步，怎么协商，怎么统一？
03
统一的方式
年12月现场总线基金会（FF）宣布与国际自动化学会自动化标准委员会ISA合作提出了一个通用的框架，允许多个工业通信协议通过共享无线集成架构在过程自动化系统中运行，使现场总线连接到远程的I/O和ISA.11a、WirelessHART、有线H1协议集成到单一的标准化环境中，这称为基金会的远程操作管理ROM，这是通过第三方的开放融合，以便为用户提供更高的可靠性和更低成本的远程操作。这个框架保持了“基础设施”战略，而不是试图在无线设备水平方面竞争[3]。年9月，现场总线基金会宣布，已发布了访问用于ISA.11a传感器模块的无线设备的现场总线基金会初步规范（PS），该规范定义了ISA.11a设备到基金会现场总线的接口[4]。
按用户的意愿和基金会的远程操作管理ROM的框架，我们可以设想有以下自动化行业无线通信标准统一的几个层次：
01.无线网络各自的无线网络接入设备，往下接收不同无线通信标准现场设备的信号，往上分别接入控制系统。虽然小的无线网络分属不同无线通信标准，但大的网络兼容了不同无线通信标准，这可以说是多网络共存。
02.无线网络接入设备固件中嵌入WirelessHART、WIA-PA和ISA.11a中三个或其中两个无线通信标准的通信栈，并在接入设备投运时组态其中一个标准的选项。与每个标准相关的现场设备的数据经接入设备被路由到各自的网络管理器(NM)或系统管理器(SM)，这可以说是多标准可选。
03.在无线网络接入设备固件中嵌入多个无线通信标准的通信栈基础上，开发融合多个无线通信标准的管理器，这样所有无线现场设备的路由、通信、信道分配和时间槽的使用是统一由一台智能网络管理器控制。这种统一方式我们可以理解为最底层的无线通信网络中三大标准的无线现场设备共存，但往上就只有统一的接入设备、统一的管理器，这可以说是多标准融合。
04.无线通信标准统一，即无线现场设备的通信协议、接入设备统一，管理器统一，这才能说是多标准统一。
按上述次序，统一层次逐步升高：共存方式相对容易做到；可选方式采用的设备较复杂，网络的通信管理也欠合理；融合方式实现了某种程度的统一，用户可以接受；统一方式才是我们真正期望的，但也是最难实现的。
04
NAMUR的工作
NAMUR于年在德国勒沃库森成立，由拜耳、巴斯夫、休斯等著名化学工业集团公司自动化领域的知名专家组成，代表测量和控制技术用户的利益，主要成员是欧洲用户。最初名称是“化学工业测量和控制标准化协会”，缩写为NAMUR。年将NAMUR的副标题更改为“化学和制药工业项目利益集团”，年再次改为“过程工业自动化系统利益集团”。NAMUR的主要活动是测量和控制装置的标准化和经验交流，如改进测量仪表，进行控制回路分析，推荐标准化接口（如4-20mA信号）等，其工作成果将作为标准化建议发布并提交给标准制定机构。
年1月13日，NAMUR发布了NE“WirelessAutomationRequirements”（无线自动化要求）建议，发布建议的目的是定义无线标准、采用的技术和对不同制造商解决方案的要求，特别是这些标准能为用户提供必要的功能和投资的安全，以便在流程工业中可持续使用。除此之外，还提出了在操作条件下实施的指南和建议。建议的重点放在要满足确定性应用程序在可靠性和可用性方面的要求，还说明了使用无线通信技术的附加要求和边际条件（例如共存、互操作性和互换性），同时考虑了所用设备和技术的生命周期。建议还规定，由数字现场设备、现场总线、PLC、过程控制和资产管理系统、无线通信系统等组成的综合控制系统，应该在生产设备的整个生命周期内以最低的费用运行[5]。
年9月6日，NAMUR认识到统一过程自动化行业无线通信标准是一次巨大的挑战，在NE建议的基础上又制定了NE（“无线传感器网络：融合无线传感器网络现有标准的要求”）的建议，详细说明了最终用户对过程自动化行业无线通信标准融合的要求。NAMURNE表示：
在现场有线网络的历史上，由于相互竞争，出现支持多个现场总线网络协议的态势，增加了用户的运营和资本成本，严重阻碍了现场总线网络的发展。现在市场上已经出现了多种无线通信网络标准，这些新制定的标准中至少有三种专门针对过程自动化市场。它们是WirelessHART（IEC/PAS）、WIA-PA（IEC/PAS）和ISA.11a（IEC），今后也还可能出现目标是流程工业使用的无线通信网络标准，而所有这些标准基本上都是将无线通信用于工业应用这样相同的物理空间。
因此，NAMUR强烈建议，无线通信标准必须融合为一个统一的标准，以解决工业应用网络安装所需的长期生命周期。这个统一的标准必须提供一个能够最大多样性的通用网络结构，以便提供给最终用户在现在或将来可供使用的无线通信应用程序[6]。
NAMUR于年8月在伦敦Heathrow（希思罗）机场开会成立了融合工作组（HeathrowWirelessConvergenceTeam），负责融合技术的研究与标准制定，工作组即以希思罗命名。融合工作组于年3月底在瑞士开会形成备忘录并成立技术工作组，基于在工业无线通信领域的技术优势，中国重庆邮电大学是希思罗工作组的5名核心成员单位之一和技术工作组主要成员，长期参加工业无线融合标准的制定。工作组已经起草了立场文件PositionPaper，制定了议事规则，完成了对三个标准的前期分析，提出了融合框架及路线图，达成了分三步开展工作的共识，第一步是实现三大标准共存，由三大标准的网关借助骨干网通过各自的接入点AP或路由器（BBR、RTR）分别接入三大标准各自的网络，然后再通过网关有线接入上位控制系统[7]。第二步完成渐进式融合。第三步以单一的ISO/OSI层过程仪表协议的现场设备、统一的连接点、统一的网关实现标准的最终融合，这里的现场设备、接入点、网关均以希思罗令名，如希思罗现场设备、希思罗连结点、希思罗网关(见图3)[8]，到达这一步，实际上就实现了无线通信标准的统一。
图3希思罗工作组融合工业无线标准的第三步
希思罗工作组计划将继续研究ISA.11a、WirelessHART和WIA-PA的融合路径，但实现一个包含所有这三个现有标准的单一融合工业无线标准的道路似乎漫长而曲折。或许是认识到统一过程自动化行业无线通信标准非常艰难，所以NAMUR为此目的成立的工作组也好，达到目的的过程也好，都称为“融合（Convergence）”，而没有用“统一（uniform）”这个词。
05
ISA的工作
ISA（InstrumentSocietyofAmerica，国际自动化学会）年4月28日在美国成立，ISA的主要任务是制定和完善标准、职业资格认证、提供教育和培训、出版书籍、论文并且主办自动化专业领域最大型的会议和展览。它是一个非盈利的技术学会，服务于工业自动化、仪器仪表及其相关领域从事研究、学习的工程师、技术员、企业家、教育者、学生和所有对这些领域感兴趣的人士。
ISA专门成立ISA工业无线标准化工作委员会，负责制定ISA.11a标准，它是一个由终端用户和作为技术提供者的制造商所组成的。以NAMUR为代表的终端用户希望能将多种过程自动化行业无线通信标准统一成一个标准，作为组织制定ISA.11a标准的国际自动化学会（ISA）听到这类呼声，也认识到ISA.11a、WirelessHART两个标准的应用范围重叠。所以ISA工业无线标准化工作委员会于年决定成立ISA.12无线标准融合工作组（WirelessHARTConvergenceSub
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