第一讲 ISA100.11a标准的起源和发展
近年来，随着各种短距离无线技术的快速发展，无线技术开始应用到流程行业，工业无线技术开始成为流程行业的热点，它是继现场总线和工业以太网技术之后又一次重大的技术革新。
作为无需布线的通信方式，流程行业无线通信近年来越来越被人们所青睐，它面向仪器仪表、设备与控制系统之间的信息交换，是对现有通信技术在流程行业应用方向上的功能扩展和提升。作为工业自动化领域前沿热点技术，流程行业无线技术引领了工业自动化系统未来的发展方向。它的问世将引发传统工业测控有线模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠性、高灵活性的方向发展。
流程行业无线技术是面向工厂自动化和过程自动化设备间信息交互的无线通信技术。相对于有线系统，工业无线传输系统节省了电缆，简化了安装，大大降低了维护时间和停工时间，增加了系统的可用性，提高了工厂效率，并因此提高了生产力。
早期的无线通信技术，例如一些点对点的通信，只能说是个别的解决方案，而要成为一个成熟的、能得到广泛应用的无线通信技术，还需要通过制定标准并在随后成为国际通用标准才能达到这一目的。因此，作为无线通信技术发展的里程碑，是国际电工委员会IEC先后批准WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA为工业无线通信领域的国际标准。
本讲座介绍的是ISA100.11a工业无线网络，很多生产厂家采用ISA100.11a国际标准，而其中最有影响的是美国霍尼韦尔公司，它为符合ISA100.11a国际标准的工业无线网络解决方案所推出产品令名了一个品牌：OneWireless。OneWireless工业无线网络ISA100.11a国际标准有代表性的产品，我们将详细介绍OneWireless工业无线网络。
1.1 ISA
ISA（Instrument Society of America，国际自动化学会，原名美国仪器仪表学会）1945年4月28日在美国宾夕法尼亚州匹兹堡成立，是按美国理查德里姆巴赫（Richard Rimbach）仪表出版公司和美国各地18个仪器仪表学会的愿望组成的一个全国性学会组织。1946年，Panelit公司的阿尔伯特·F·斯佩里（Albert F Sperry）成为ISA的第一任主席。在同一年，学会在匹兹堡举行了第一次会议和展览会。1949年制定了第一份标准“RP5.1仪表流程图符号”（Instrument Flow Plan Symbols），1954年出版第一份期刊，即今天的InTech。
在此之后，ISA继续扩大其产品和服务的范围，扩大了ISA会议和展览的规模和次数，发展了专题讨论会，提供了专业发展和培训，增加了技术部门，甚至制作了关于测量和控制的电影。会员数从1946年的900增长到1953年的6900，今天ISA有来自近100个国家的30000名成员。
随着ISA国际影响力扩大，其技术领域早已超出仪器仪表的范围，2000年，经ISA学会理事会批准将学会名称变更为仪器、系统与自动化学会（The Instrumentation，Systems，and Automation Society）。2008年10月，理事会表决通过命名学会为国际自动化学会（International Society of Automation），一个名字前后几次的变化，反映了ISA会员基础的全球性和包容性。
ISA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涉及很多工程与技术学科，是世界上最重要的工业自动化、仪器仪表及其相关领域的标准制订与工业自动化人才培养的专业组织之一。
目前，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、出版书籍和论文并且主办自动化专业领域最大型的会议和展览。ISA为他的成员提供各种渠道来获取技术信息、专业发展资源和与其他自动化专家交流的机会。除此之外，ISA会员还能有更多机会得到自动化领域内众多专家的认可。
“ISA Fellow”，即ISA资深专家，特别授予在自动化工程或科学领域作出杰出贡献的ISA会员，是对ISA会员的尊贵荣誉。中国科学院沈阳自动化研究所所长于海斌研究员由于其对现场总线技术在中国工业过程的应用所做出的突出贡献，荣获2011年度国际自动化学会“ISA Fellow”。
ISA的工作方针是：
- 尊重其他成员的知识产权；
- 除非得到版权所有者的允许，否则不允许有意地把有版权的资料加入到标准当中；
- 当把材料提交给委员会时，须注明资料的所有版权；
- 接收的所有草案和最终标准的版权都将属于ISA；
- 除非专利所有者同意遵守ANSI（和ISA）的专利政策，否则不得有意在标准中加入那些要求专利保护的规范；
- 未经授权不得泄露任何私人的或者机密的信息；
- 知名媒体人员可以出席ISA的会议；
- 无论正式的或非正式的会议上，都要避免讨论不必要的商业问题，如价格政策、价格战略、产品、服务、产品制作方法、产品成本、顾客或市场。
1.2 ISA100
ISA专门成立了一个由终端用户和作为技术提供者的供应商所组成的ISA100工业无线标准化工作委员会，该委员会的主要任务：
- 制定ISA100工业无线标准、推荐操作规程和起草技术报告，定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术，建立必要的规范和流程；
- 通过系统使用的标准、测试和一致性流程统一，确保不同厂商产品的互操作性；
- 进行ISA100无线网络系统和无线产品的测试和认证；
- 提供培训、工具和技术支持，使用户和供应商在生产、认证、设计、应用、配置和管理无线系统和设备减少时间、成本和开发风险；
- 作为供应商参加该组织，您的产品可在第一时间经过测试，以满足高速增长的工业无线市场的需要，作为最终用户参加该组织，可增加对ISA100无线网络系统和无线产品的了解，确保您的特定需求得到满足。
ISA100的核心成员单位有霍尼韦尔、横河电机（Yokogawa）、阿自倍尔、通用电气、富士电机、倍加福、菲尼克斯、尼维斯（Nivis）、中国重庆邮电大学等27个成员单位，其中包括雪佛龙、埃克森美孚、壳牌等终端用户。ISA100的理事会主席、副主席分别由霍尼韦尔公司Raymond Rogowski、横河电机的Dr.Penny Chen担任，成员还有通用电气、阿自倍尔和作为用户代表的埃克森美孚。ISA100成立了多个研究小组，每个研究小组的目标是形成相关文档来帮助用户在工业无线应用时做出正确的选择。
ISA100还规定了工业测量与控制下的六类应用（见后续章节）。
ISA100委员会包括了200多个单位共600多位来自世界各地的自动化仪器仪表专业人才，代表最终用户、无线供应商、DCS供应商、仪器供应商、PLC供应商、技术供应商、系统集成商、研究机构、顾问、政府机构和联合体。
ISA100下属的无线兼容研究院（Wireless Compliance Institute，WCI）可接受ISA100成员符合ISA100相关标准的无线产品认证和注册。
ISA100设立了多个工作组，对于ISA100委员会来说，每个人、每个公司用户都可以申请加入到其中的某一些工作组。
1.3 ISA100.11a
ISA100.11a是工厂环境中运行的可寻址无线传感器网络，是为各种应用提供安全可靠运行的第一份ISA100标准。当ISA100.11a标准草案发布后，ISA100委员会开始征集不同用户的反馈意见，根据反馈的意见进行修改，多次反复后需以大多数赞成票才能通过表决。因此，ISA100.11a标准综合了诸多意见，而且是为最终用户设计且最终用户参与设计的无线标准。该标准集中了很多行业的专业知识和对ISA100标准支持，很大程度地满足了用户的需求，是市场驱动的产物。随着ISA100.11a标准的推广使用，肯定将会有更多的用户提出新的要求，同时ISA100的无线兼容研究院WCI将根据测试的情况提供更多的反馈，ISA100.11a还将通过升级来满足这些要求。
ISA100.11a是一个非常开放的标准，主要体现在两个方面：在无线兼容研究院WCI里，任何有关的制造商都可以申请成为它的一个成员；成员只要把产品拿到无线兼容研究院WCI作认证，认证成功之后就会注册为符合ISA100.11a标准的产品。
1.4 ISA100.11a工作组
为方便开展工作，ISA100设立了多个工作组（WGs），分别讨论和解决各种各样的技术问题，每个工作组都是独立的，都有着独立的目标和计划。同时，为了满足需求的不断变化，随时会自由组合工作组，甚至成立新的工作组。
这些工作组按主题进行分类，以数字编号命名，如涉及制定标准化文件，还得到一个以ISA100.XX形式命名的编号。以下是部分工作组及其职能：
- WG1：ISA100.1，统筹、整合所有标准并促进新工作组的形成，拟定了一份为仪表技术员提供帮助的技术报告，名为“ISA-TR100.00.01-2006-自动化工程师无线枝术指南第1部分：无线通信物理学指南”；
- WG2：技术RFP评估标谁（TPEC），“授权”工作组，对使用者团体发展无线需求进行许可，由于现今的ISA100.11a已包含了所有规定的要求，因此这个工作组并不活跃（也不需要活跃）；
- WG3：ISA100.11a，主要负责定义OSI7层规范（包括物理层、数据链路层等），安全规范和管理（包括网络和设备配置）规范，为固定设备、便携式设备和移动设备提供从1级到5级的（0级是可选的）应用服务。工程应用的重点是周期监控和过程控制的执行，容许延迟是100ms，更短的延迟定义为可选，具体内容如下： 满足有延迟和延迟可变性限制的大规模低功耗设备系统的应用需求； 定义一种具有与现存体系结构和应用兼容、满足安全和网络关系需求、可以升级的无线体系结构； 在恶劣工业现场或其他系统干扰的环境中，要求具有很好的健壮性； 能够与应用在工业现场的其他无线设备共存，如802.11x、802.16x、蜂窝电话等； ISA-100.11a设备的互操作性。 应用于各种控制的无线连接标准，如过程监控用无线，用户团体一直要求在100ms或更长时间迟延的工业环境中使用的无线传感器技术，并且重点在非关键或低风险应用上。
- WG8：解决用户需求，包括电池寿命等；
- WG12：ISA100.12，融合WilelessHART，成员已经进行了一段时间的会商，探讨ISA100.11、WirelessHART如何能协同工作，一个新的观点是看眼于双重启动设备，可实现双栈同时工作，由于工作组遇到障碍，据该小组联合主席介绍，ISA-100.12小组已决定放弃在该方面的努力；
- WG15：无线骨干网/无线回传，在网关背后进行改造，以取代连接到控制室的有线以太网，这是一种全新的需求，它涵盖了安全、视频以及掌控多种协议的能力；
- WG16：工厂自动化，将制定无线工厂自动化的规范标淮，除其他方面的差异外，比ISA100.11a具有更严密的适时性，现在规范文件正在起草中，参与者包括汽车制造商Proctor&Gamble以及其他离散自动控制厂商；
- WG21：人员及资产的跟踪和识别，包括RFID和其他方法，这个小组也制定了相关技术报告；
- 商业化：超出了标准的范围，认证小组将着眼于规范之内的选择，以及确保不同厂商设备之间的互操作性。
1.5 ISA100.11a标准的制定
2005年，ISA成立“SP100用于自动化的无线系统标准”委员会，主要面向现场仪表和设备，ISA100委员会着重在以下三个方面制定可以用于工业现场的无线标准、最佳实现和技术报告：
- 无线环境，无线的定义、发射频率（起始点）、振动、温度、湿度、EMC、互操作性、与现有系统的共存以及物理设备所处的场所；
- 无线设备和无线系统的技术生命周期；
- 无线技术的应用，用于现场传感器的监测、控制、报警，用于将工业现场与商业系统互联起来，用于整个生产过程——流程工业、材料加工和离散制造环境。
SP100将充分论证无线技术应用工业现场的可靠性（例如扩频技术、FHSS、DSSS、UWB）、能耗性（例如各种无线通信协议的频宽比）和安全性（例如加密技术AES、WPA、WEP）等。
从标准编制组成立到ISA100.11a标准成为IEC国际标准，编制工作历时整整6年：2005年，ISA成立“SP100用于自动化的无线系统标准”委员会；2006年一季度发表了文本草案，还成立了专注于低功率无线传感器设备标准化的SP100.14工作组和专注于高带宽无线基础设备和骨干网标准化的SP100.11工作组；2006年7月，SP100用于自动化的无线系统标准委员会面向全球征集技术提案，霍尼韦尔、GE、SIEMENS等国际著名公司与中国重庆邮电大学等提交了技术提案，并于10月份进一步提交了技术白皮书；在2006年10月美国休斯敦会议上，通过投票方式确定将SP100.14工作组和SP100.11工作组合并成ISA100.11工作组，由它定义各种控制应用的无线连接标准，包括从闭环调节控制到开环手动操作的各种应用，以确保ISA100可以提供完整与集成的工业无线应用标准，而ISA100.14工作组将定义用于各种工业监控、记录与报警应用的无线连接标准，重点是性能与成本；2006年12月，在荷兰阿姆斯特丹ISA的SP100标准会议上，SP100.11a工作组成立了物理层/MAC层、网络层／传输层、应用层、网络管理、安全、网关等各个任务组，任务组负责标准中相关部分的技术选择和编写等工作，会议最终通过决议，确定采用IEEE802.15.4 2006作为任务组推荐的物理层技术；2008年3月，完成第一版标准草案并征求意见；2009年3月，完成第二版标准草案；2009年4月24日，在ISA100委员会上投票通过ISA100.11a标准，这是ISA100标准族中的第一个标准；2009年9月，ISA正式通过并发布ISA100.11a标准“Wireless systems for industrial automation：Process control and related applications”（无线工业自动化系统：过程控制和相关的应用）；2011年9月16日在美国北卡罗莱纳州，ISA100.11a标准由国际电工委员会（IEC）批准，成为IEC国际标准。
1.6 中国重庆邮电大学与ISA100
2006年8月，中国重庆邮电大学加入了ISA100工业无线标准化工作委员会，开始参与ISA100.11标准的制定；2006年10月，向ISA100提交了技术提案和白皮书；2006年12月，参加了ISA在荷兰阿姆斯特丹召开的SP100标准会议，加入了新成立的物理层/MAC层工作组、安全工作组、网络层/传输层工作组、网络管理工作组、应用层工作组、评估工作组等ISA100各主要工作组的标准制定工作；2007年2月，参加了ISA100在美国菲尼克斯召开的会议；2008年4月，作为东道主在重庆承办了“ISA100.11a委员会全体会议”；2008年5月，作为主要成员加入新成立的ISA100无线兼容研究院WCI；2008年8月，获得ISA100 Voting Member（投票成员）表决权；2008年9月，向ISA100提交了几十条Comments（意见），ISA100.11a委员会完全接受其中的27条并已采纳列入ISA100.11a规范；2008年10月，在美国休斯敦EXPO展示所开发的全球第二套ISA100.11a协议栈；2009年5月，参加了在日本京都召开的会议并展示了ISA100.11a协议栈和测试设备；2011年5月，又一次作为东道主在重庆承办了“ISA100.11a委员会全体会议和WCI会议”。
2011年9月，与台湾达盛电子（UBEC）联合开发了全球第一款支持ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA三大主流工业无线国际标准的芯片UZ/CY2420渝“芯”一号。渝“芯”一号采用先进的射频架构，具有低功耗、低成本、微型化、高可靠性等特点，使用0.18μm的RFCMOS制造工艺和40引脚的QFN封装方式，集成度高，面积仅为6mm×6mm，所具有的基带/MAC处理单元能够为IEEE802.15.4的物理层和MAC层提供硬件支持，其创新性的DLL处理单元设计能够为上述三大国际标准的数据链路层核心技术提供来自硬件的直接支持，包括跳信道机制、超帧调度引擎和时隙通信机制等功能。 1.7 ISA100.11a标准概要
1.7.1 ISA100.11a的目标
标准制定工作组希望该工业无线标准能够达到甚至在某些方面超过有线系统的性能。此外，他们一致认为无线仪表系统必须确保工业等级的可靠性和安全性，能够应用于非关键的控制、报警、监测、管理，以及开环和闭环控制等场合。他们要求ISA100.11a标准提供以下功能：
- 在恶劣环境中不间断的通信；
- 通信协议和设备的互用性；
- 不要求现场设备具有路由功能，使电池寿命最大化，降低维护量；
- 可扩展性，支持大量现场设备和网关；
- 从现场设备发送数据到接收数据的响应时间快速；
- 与其他无线设备共存。
他们希望ISA100.11a工业无线仪表系统能够满足关键监控和过程控制等应用的性能需求，为整个工厂提供一个公共的无线平台，实现一个无线架构支持整个流程工业的无线应用或与有线设备及有线网络的无线互联，力求和最终用户一起制定一个可靠、高效、规模灵活、经得起未来验证、开放的工业无线标准。
1.7.2 ISA100.11a的关键技术
ISA100.11a是基于IEEE802.15.4的物理层，它定义了数据链路层、网络层、传输层和应用层，网络采用网状（Mesh）和星型（Star）网络拓扑结构。
ISA100.11a网络协议设计时要解决与其他短距离无线网络的共存性、无线通信的可靠性和确定性问题，其核心技术包括精确时间同步技术、自适应跳信道技术、确定性调度技术等。
精确时间同步技术：ISA100.11a网络拓扑有两层结构，分别为骨干网和DL子网（数据链路低子层），设计根据网络层次结构采用了时间的分级同步。网关在形成网络时，可向骨干路由器发送装载有时间同步信息的广播帧来进行骨干网的时间同步；当骨干网完成时间同步后，骨干路由器便向其所在的DL子网内的终端设备发送广播帧来进行时间同步。这样，经过两级同步后，就可以达到全网同步的目的。
自适应跳信道技术：ISA100.11a工作在全球免费的2.4GHz频段，为了避免信号干扰，要解决在2.4GHz频段网络的共存性问题。通过采用跳信道技术来避免信号干扰，跳信道包括时隙跳频、慢跳频和混合跳频三种信道模式，不同的运行模式对应着不同的时隙配置方式。
确定性调度技术：ISA100.11a骨干网一般采用有线技术或Wi-Fi无线技术，所以，ISA100.11a数据链路层的通信调度技术是面向ISA100.11a DL子网，主要功能是在相互竞争的用户之间分配通信资源，以避免冲突，提高吞吐量和带宽利用率。
1.7.3 ISA100.11a无线网络架构的主要组件
图1-1是一个简单的ISA100.11a无线网络架构，网络由DL子网和骨干网组成。
图1-1 简单的ISA100.11a无线网络架构
网络的主要组件有现场设备和骨干设备，现场设备可能包括路由设备、非路由设备、手持设备等，骨干设备可能有骨干路由器、网关、系统管理器、安全管理器。现场设备中的非路由设备可以直接将信息传送给骨干路由器，或通过其他路由设备将信息转送到骨干路由器。骨干设备相互无线通信，构建无线骨干网络，骨干路由器可直接发送ISA100数据到网关，网关是无线网络与控制网络的接口，充当ISA100.11a与其他协议（Modbus、HART、FF等）的转换器。系统管理器管理包括设备和通信在内的工业用无线传感器网络，它控制网络的运行组态，监控和报告通信组态、性能和运行状态，并提供与时间相关的服务。安全管理器支持授权设备，对即将加入工业无线传感器网络的无线设备进行物理授权，同时管理每个设备的主要安全密钥并为每个密钥制定安全策略。
1.7.4 ISA100.11a产品
2007年6月11日，霍尼韦尔公司宣布符合ISA100.11a的工业无线网络解决方案的产品OneWireless正式发布并投入市场。
目前能提供用户使用的符合ISA100.11a产品的生产厂商较少，主要有霍尼韦尔和横河电机2家公司，此外美国GE（General Electric）、尼维斯、Apprion、Eltav等公司也有很少品种的产品，如GE下属本特利（Bently）公司的Essential Insight.mesh ISA100就是采用符合ISA100.11a标准的产品用于机械设备运行的监控系统。
霍尼韦尔公司作为ISA100.11a标准的主推厂家，其产品OneWireless工业无线网络类别最齐全。
作者简介
方原柏：湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、仪器仪表与自动化等杂志编委，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“流程行业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，发表论文300篇。
