【方原柏专栏】ISA100.11a的OneWireless无线网络设计

编者按

方老师通过本文详细介绍了OneWireless架构设计的要点。符合ISA100.11a的OneWireless无线网络在设计时可根据用户对无线网络的规模、性能、用途及所需连接的有线系统等要求，选择不同的OneWireless无线网络架构。

1 ISA100.11a无线网络

国际上目前引起业界广泛关注的工业无线网络通信标准有WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA。其中ISA100.11a无线网络的主要生产厂商是霍尼韦尔和横河电机，此外美国GE（General Electric）、尼维斯、Apprion、Eltav等公司也有很少品种的产品。美国霍尼韦尔公司所推出的符合ISA100.11a工业无线网络通信标准的产品品牌为OneWireless。

2 OneWireless无线网络系统构成

霍尼韦尔公司2004年推出工业无线变送器——基于ZigBee无线技术的XYR5000无线压力变送器，载频为902MHz~928MHz，以此为基础的无线网络系统构成见图1。

图1 以XYR5000为基础的无线网络系统构成图

图1中，起核心作用的基站与各种类型的XYR5000无线变送器可直接通信，最大数量为50台，最大距离610m。基站还可有线接入最多25个AO/DO组件，基站与控制系统的连接有RS485 Modbus RTU接口，还可提供通过RS232与WMT无线管理工具连接。这里所说的基站实际上是一个网关。

2007年6月，霍尼韦尔公司推出基于ISA100.11a思路的OneWireless无线网络方案，采用了XYR6000变送器，载频为2.4GHz。

OneWireless无线网络由以下设备构成：无线现场设备、多功能节点（Multinode）、现场设备接入点FDAP（Field Device Access Point）、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、Cisco WLAN控制器、无线管理平台WDM。

2.1 无线现场设备

OneWireless无线现场设备有两类，一类支持ISA100.11a工业无线现场设备，一类支持802.11Wi-Fi无线设备。支持ISA100.11a工业无线设备包括：无线压力变送器（绝压、表压、差压）、无线温度变送器、无线腐蚀测量变送器、无线开关量输入变送器、无线开关量输出变送器、无线模拟量输入变送器、无线多输入组合变送器、无线雷达液位计、无线阀门回讯变送器（定位器）、HART信号的无线转接模块。支持802.11Wi-Fi无线设备包括：无线设备振动（健康状态）监测变送器、无线读表器、无线视频、移动工作站、无线巡检、可燃气体检测。

2.2 多功能节点

多功能节点同时支持同ISA100.11a无线现场设备、802.11Wi-Fi无线设备的无线通信，同时支持现场Ethernet设备的无线转接，即现场的第3方设备可以直接有线接入多功能节点从而进入无线网络，或者配置无线转接模块同多功能节点无线通讯。

一个或多个多功能节点构建无线Mesh主干网络，现场无线变送器可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯。Mesh主干网络是提供快速通信的网络基础设施，它是连接多个节点的主干线。

每一个多功能节点都可以同时作为网关或配置成冗余网关与DCS、PLC进行数据集成。

2.3 现场设备接入点

FDAP作为可靠的工业接入点，仅可访问ISA100.11a无线现场变送器；FDAP也可以配置为无线路由器从其他无线现场设备转送信息，用于要求更快刷新率、更高性能的网络；FDAP可作为小型无线网络的网关，以有线以太网通过WDM同有线控制网络连接，实现数据集成。

2.4 Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备

Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和多功能节点的功能完全一样，它可以与ISA100.11a现场设备网络连接，作为无线现场设备的接入点，它又可以与IEEE802.11a/b/g/n Wi-Fi设备网络连接，作为无线Wi-Fi设备的接入点，它还可以用作IEEE的802.11a/b/g（Mesh网状）无线主干网络连接，实现多个接入点之间的相互无线通信，构建自组织、自愈合的无线主干网络。

不同之处是Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备带宽更宽，速度更快。

2.5 Cisco WLAN控制器

Cisco无线LAN控制器支持与Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备之间的实时通信，以简化无线网络的部署和运作。

2.6 无线管理平台

无线管理平台(WDM)管理所有的无线现场设备，如ISA100.11a无线变送器、现场设备接入点FDAP和多功能节点等无线网络设备。WDM承担无线现场仪表网络网关、系统管理器以及安全管理器的角色，用于初始化无线设备的组态，并存储组态无线设备所需的无线网络系统数据。它实现无线现场仪表网络的安全管理，生成、发布和管理所有现场设备加入无线安全网络所需的安全密钥。它还提供Modbus、HART、OPC和专有协议等数据集成通讯接口，实现无线网络数据同DCS控制系统的数据集成。

3 OneWireless无线网络设计

3.1 小型ISA100.11a无线网络设计

对于只需要几台无线现场设备的网络，建议使用小型网络。这些小型网络通常用于非关键、不需要快速刷新率的监控系统。实现小型ISA100.11a无线现场设备网络必需的组件是无线现场设备、FDAP、WDM、网络交换机和以浏览器访问OneWireless用户界面的台式机或笔记本电脑（见图2）。这个网络必要时可以扩展以包括多台FDAP，从而达到理想的ISA100.11a网络覆盖。

图2 小型ISA100.11a无线网络

网络中的每台无线现场设备都设置为带路由功能，以便与其他无线现场设备相互通信，刷新率一般设置为30s或更长，形成一个ISA100.11a网状网络。无线现场设备可以为邻近的无线现场设备路由并发送本身数据到现场设备接入点FDAP，再通过以太网交换机连接到WDM及控制网络。

3.2 中型ISA100.11a无线网络设计

中型ISA100.11a现场设备网络是小型系统的ISA100.11a现场设备网络拓扑结构的扩展，建议这种类型网络用于重要监测和控制网络，它提供的无线现场设备虽采用电池供电，但具有快速刷新率，可以达到像有线设备一样可靠的性能。这种网络结构的组件是无线现场设备、FDAP、WDM、网络交换机和以浏览器访问OneWireless用户界面的台式机或笔记本电脑，从而可设计一个中型ISA100.11a无线网络。

这种类型的网络由于仍采用FDAP作为接入点设备，它不能提供Wi-Fi设备（如手持设备）或以太网设备（如数字安全摄像机）的无线覆盖（见图3）。

图3 中型ISA100.11a现场设备网络

在图3中，多个FDAP用于扩展网络的容量，很多无线现场设备可以连接到不同的FDAP，从而建立支持数以百计无线现场设备的全厂ISA100.11a无线网络。安装更多数量的FDAP解决了需要使用电池供电的无线现场设备作为路由器的问题，从而使无线现场设备电池寿命更长。

3.3 中型ISA100.11a和IEEE802.11a/b/g无线网络设计

多功能应用的无线网络规划增加了多功能节点（见图4），其网络结构的组件是无线现场设备、FDAP、多功能节点、WDM和网络交换机，由于多功能节点同时支持与ISA100.11a现场设备网络连接、与IEEE802.11a/b/gWi-Fi设备网络连接及多功能节点相互无线通信的无线主干网络连接，在网络上实现使用无线手持设备的移动应用、增加工厂安全系统等功能，这种网络结构可在工厂中监测和控制数百台无线现场设备。从而可设计一个全厂范围的多功能应用的无线网络。

图4 中型多功能应用的无线现场设备网络

3.4 OneWireless网络连接到工厂控制网络设计

如果需要将OneWireless网络连接到工厂控制网络，则使用WDM的现场设备网络FDN端口连接ISA100.11a无线网络，使用WDM的工厂控制网络PCN端口连接控制网络（见图5），这种网络结构的组件是WDM、FDAP、多功能节点、无线现场设备和网络交换机。

图5 连接到工厂控制网络的OneWireless无线网络

3.5 带Cisco节点的OneWireless中型无线网络设计

带Cisco节点的OneWireless无线网络采用了支持标准的思科（Cisco）组态和拓扑结构统一的无线网络技术，以实现一个高可用性的网络。

使用无线现场设备、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、WDM、WLAN控制器和交换机，可以实现ISA100.11a无线现场设备网络和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi网络的组合。可选设备包括FDAP，它用在不需要Wi-Fi覆盖而只有ISA100.11a无线现场设备聚集的区域（见图6）。使用Cisco Prime网络控制系统（NCS）来管理Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备和Cisco有线网络设备，这种类型的网络通常可实现了在装置中有数百台无线现场设备的监测和控制。

图6 带CiscoAP节点的中型无线网络

图6中，Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备被分为2类：根接入点（RAP）和网格接入点（MAP）。网格接入点是Mesh网络的远程接入点，它作为ISA100.11a无线现场设备网络和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi网络的接入点，这是所有接入点的默认角色。网格接入点通过网格接入点之间的路径或直接传送到根接入点，根接入点通过光纤、有线以太网或电缆连接器连接到有线网络或服务器，作为到有线网络的“根”或“网关”，它必须在接入点配置时设定为根接入点。

3.6 带Cisco节点的OneWireless大型无线网络设计

使用无线现场设备、Cisco Aironet 1552S Outdoor AP节点设备、WDM、WLAN控制器和交换机，可以实现ISA100.11a无线现场设备网络和IEEE802.11a/b/g/nWi-Fi网络的组合。

OneWireless大型无线网络同样采用了思科统一的无线网络技术，这包括使用冗余交换机、冗余的无线局域网控制器以及多重根接入点（RAP）和网格接入点（MAP），实现大型高可用性的网络。

随着网络规模的增大和MAP数量的增加，有必要使用多台RAP以保证无线网络所需的性能和吞吐量（见图7）。推荐RAP对MAP比值为20，这意味着，最多20个MAP可以共享相同的一次和二次RAP。当网络内连接的ISA100.11a设备总数超过WDM容量时，就需要多台WDM。

图7 带多台RAP Cisco节点设备的ISA100.11a大型无线网络

4 结束语

由于构成根据OneWireless无线网络的路由器、接入点、网关这几类设备有多种选型，所以当OneWireless无线网络的规模、性能、用途及所需连接的有线系统等要求不同时，OneWireless无线网络可以多种架构选择，本文介绍的多种设计方案可供用户在选用符合ISA100.11a标准的OneWireless无线网络时参考。

参考资料：

[1] Honeywell.OneWireless Network Planning and Installation Guide for Multinode OW-CC0010 ［EB/OL］. https://:www.Honeywell.com. .2013.01.

[2] Honeywell.OneWireless Network Configuration Guide for Cisco Aironet 1552S AP.OW-CC0070［EB/OL］. https://:www.Honeywell.com. .2012.09

[3] Honeywell.OneWireless Network Planning and Installation Guide OWDOC-X253-en-220A［EB/OL］.2013.10.

作者简介

方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。