干货 | 工业无线技术领域的三大标准

美好的一天

工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，是未来工业自动化产品新的增长点。工业无线技术是21世纪新兴、面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低耗能、实时通信等技术特征。

目前我们所熟知的无线技术有ZigBee、无线局域网(WiFi)、蓝牙(Blue-tooth)、超宽频(UWB)等。但他们由于自身协议的限制（如发射功率、安全等级、抗干扰性等方面的性能），通常应用于消费电子产品，不适合复杂的工业现场环境。其特点如表1所示：

表1 常用无线通信协议比较

目前工业无线技术领域已经形成了三大国际标准，分别是由HART基金会发布的WirelessHART标准，ISA国际自动化协会（原美国仪器仪表协会）发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准。

技术简介

WirelessHART

WirelessHART标准是2007年9月由HART通讯基金会发布，是第一个专门为过程工业而设计的开放的可互操作的无线通讯标准，满足了工业工厂对于可靠、强劲、安全的无线通讯方式的迫切需求。作为HART7技术规范的一部分，除了保持现有HART设备、命令和工具的能力，它增加了HART协议的无线能力。国际电工委员会于2010年4月批准发布了完全国际化的WirelessHART标准IEC 62591（Ed.1.0），是第一个过程自动化领域的无线传感器网络国际标准。该网络使用运行在2.4GHz频段上的无线电IEEE802.15.4标准，采用直接序列扩频（DSSS）、通信安全与可靠的信道跳频、时分多址（TDMA）同步、网络上设备间延控通信（Latency-controlled Communications）等技术，WirelessHART标准协议主要应用于工厂自动化领域和过程自动化领域，弥补了高可靠、低功耗及低成本的工业无线通信市场的空缺。

ISA100.11a

ISA从2005年便开始启动工业无线标准ISA100.11a 的制定工作, 已经于2014年09月获得了国际电工委员会（IEC）的批准，成为正式国际标准，标准号IEC 62734。我国重庆邮电学院作为核心单位也参与该标准的制定。ISA 100.11a是第一个开放的、面向多种工业应用的标准族。ISA100.11a标准定义的工业无线设备包括传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备，主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、鲁棒性以及与有线现场网络的互操作性等。ISA100.11a标准可解决与其他短距离无线网络的共存性问题以及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、数据链路层子网路由技术和安全管理方案等，并具有数据传输可靠、准确、实时、低功耗等特点。

WIA

WIA技术一种高可靠性、超低功耗的智能多跳无线传感网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。同时，围绕语义化数字工厂建模与动态服务组合，研发了WIA－PA和WIA－FA两项IEC国际标准和产品体系，打通了跨协议、软件和系统的互操作接口。

---WIA-PA

WIA-PA是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议。它在时间上(时分多址TDMA)、频率上(巧妙的FHSS跳频机制)和空间上(基于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输)的综合灵活性，使这个相对简单但又很有效的协议具有嵌入式的自组织和自愈能力，大大降低了安装的复杂性，确保了无线网络具有长期而且可预期的性能。

WIA-PA已于2011年正式成为IEC 62601国际标准。

---WIA-FA

WIA-FA技术是专门针对工厂自动化高实时、高可靠性要求而研发的一组工厂自动化无线数据传输的解决方案，适用于工厂自动化对速度及可靠性要求较高的工业无线局域网络，实现高速无线数据传输。采用无线系统可以使车间内更加干净、整洁，消除线缆对车间内人员羁绊、纠缠等危险，使车间的工作环境更加安全,具有低成本、易使用、易维护等优点，是工厂自动化生产线实现在线可重构的重要使能技术，将助推我国制造业的转型升级。

几日前，WIA-FA正式成为国际电工委员会（IEC）标准（IEC 62948）。

专家们用一句话概括了当前的局面是：工业无线，三足鼎立。

工业无线技术比较

目前，WirelessHART、ISA100.11a和WIA这三大国际工业无线标准各具优势和特色。

表2 三种协议性能对比

工业无线技术的核心技术包括时间同步、确定性调度、跳信道、路由和安全技术等。表2通过从物理层、数据链路层、网络层等方面对三个标准进行比较分析，可以看到三大标准具有相似的特征，其标准协议体系结构都遵循OSI模型，并且都引用IEEE802.15.4作为物理层标准。

目前，WirelessHART标准已有大量的网络设备和应用设备被研制出来，全球已在使用的HART设备超过2600万台，用户已经具有一定的HART培训和使用经验，熟悉WirelessHART无线协议只需要极少的改变。艾默生已经推出了兼容HART标准的自动化产品（如无线适配器）以及WirelessHART仪表、网关，并投入使用，ABB、E+H、P+F等仪表和现场设备提供商都在积极地推出产品。博微公司已经研制出国内首款WirelessHART 模块及网关，并得到成功应用以及良好的客户反馈，WirelessHART适配器也已经在研制过程中。ISA100.11a也被不少欧美企业所采用和部署，在工业无线市场上取得了广泛的认可，横河电机(Yokogawa)和霍尼韦尔(Honeywell)两大巨头已经开发出了ISA100.11a中等规模的系统解决方案。WIA-PA技术在冶金、石化等领域进行了初步应用，得到了用户的认可。WIA-FA用于实现传感器、变送器、执行机构等工厂自动化设备之间，高安全、高可靠、硬实时信息交互的无线网络技术，可广泛应用于离散制造业装备的智能化升级。