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  ISA与ISA-100简介
重庆邮电大学自动化学院  王平、王泉
1  ISA简介
第二次世界大战期间，工业仪器仪表被广泛地应用，美国国内的18家仪器仪表企业希望成立一个全国性的组织来协调相互之间的关系，故1946年4月28日在美国宾夕法尼亚州匹兹堡正式成立了ISA（Instrument Society of America，美国仪器仪表协会）。第二次世界大战结束后，工业仪器仪表技术继续向各个行业不断蔓延，扮演着越来越重要的角色，工业界人士发现非常有必要制定相关标准以便在全国范围内分享工业仪器仪表信息。在这种背景下，ISA承担起了制定工业仪器仪表类相关标准的职责。
1946年Panelit Corporation的主席Albert F. Sperry成为ISA的第一任会长。同年，该协会在匹兹堡举行了成立以来的第一次会议和展览，1949年出台了第一个标准——RP5.1“仪器流程计划符号”（Instrument Flow Plan Symbols），1954年出版了第一份杂志（就是现在的Tech）。在接下来的几年中，ISA继续扩大它的产品和服务，增加ISA会议和展览的范围，召开座谈会，提供专业的开发和培训，甚至还创建了与测控有关的公司。会员从1946年的900个增加到1953年的6900个，现在ISA有来自将近100个国家的28000多个成员。
考虑到ISA的国际化成果和它的技术范围已经发展到超出仪器仪表之外的事实，2000年秋天，ISA理事会同意将协会名字ISA重新定义为Instrumentation, Systems and Automation Society（仪器、系统与自动化协会）。今天，ISA已经成为一个全球性的、领导性的、非赢利的组织，ISA的品牌已经得到全世界范围内的高度认可。
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为它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。除了这些之外，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。
2  ISA-100简介
无线传输在工控领域涉及的重要概念有：无线系统与现有系统的共存性（Coexistence），不同厂家设备的互操作性（Interoperability）以及系统之间的相互协作性（Interworking），这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。目前，将无线技术应用于工业自动化领域对现场设备进行检测和控制还没有一个成熟的标准。然而，市场、用户和设备制造商都迫切需要相关标准来规范这方面的产品。为此，ISA专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的ISA-100委员会，该委员会的主要任务是制定标准、推荐操作规程、起草技术报告等，用以定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。
为保证工业无线技术的完整性，目前ISA-100委员会成立了图1所示的11个研究小组，每个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。该组织的早期项目之一是概括出无线协议必须具有的关键要求，以有效地支持工业应用，如监控和控制。ISA SP100在进行了广泛的终端用户调查后，汇编出了一个针对工业应用领域无线协议的关键技术要求清单，该调查还确定了面向工业无线技术的15大关键领域，而且该报告还评估了各种主要无线协议（802.11g、802.11s、ZigBee/ 802.15.4和WiMax）应用于这15大关键领域的满意度。
ISA-100标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通信数据速率去支持工业现场应用。
ISA-100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、健壮性、与有线现场网络的互操作性等。
为了保证工业无线产品供应的一致性，现在ISA  SP100已规定了工业测量与控制下的6类应用：第0类(安全类)：紧急控制，包括安全联锁紧急停车、自动消防控制等；第1类(控制类)：重要的闭环调节控制，如现场执行器的直接控制、串级控制等；第2类(控制类)：非重要的闭环控制，如变频控制、多变量控制、优化控制等；第3类(控制类)：开环控制，是指在回路中有人工参与的控制；第4类(监测监控类)：记录短期操作的结果，是指通过无线传输那些只在短时间内产生操作结果的数据消息；第5类(监测监控类)：记录和下载/上载不产生直接操作的结果，例如历史数据的采集，为预防性维护而须进行的周期性数据采集，记录事件顺序(SOE)数据的上传等。
SP100将尽可能采用现有标准(如信息安全标准ISA-SP99、智能传感器标准IEEE1451、ISO/OSI网络互连的7层模型等)，并大力促进新技术的发展和应用、无线网络节点的合理部署，保证供应商与用户受益。
由于工业环境中可能存在大功率的干扰源，标准必须增强网络的健壮性。工作组还将解决与工业现场其他无线设备共存的问题，如：802.11x、802.15x、802.16x、RFID、SP100.14、无线-HART、手机等。
ISA-100委员会制定标准、操作规程、技术报告等相关信息，以定义应用于自动化和控制环境中的无线系统，将主要致力于0级工业现场水平。ISA-100委员会的重点是提高用于制造业或控制系统的部件或系统的可靠性、完整性和实用性。此外，也为控制系统环境中获得和实现无线技术提供标准。委员会的指导性文件将重点关注整个生产周期（包括设计、制造、运行的维持、可量测性或制造业、控制系统），并适用于用户、系统集成商、操作人员、控制系统的生产厂商和销售商等。委员会提供的指导性文件将会改善制造业和控制系统的性能，有助于识别和克服弱点，减少系统降级或故障的危险。
ISA-100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：(1) 用于监控、控制、报警和关闭现场传感器，可以将工业现场与商业系统互联起来；(2)实时现场——商业系统（例如：无线设备接口命令系统、控制LAN、工业LAN、语音）；(3)整个生产过程——流程工业、材料加工和离散造环境。
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（例如各种无线通讯协议的频宽比）和安全性（例如加密技术AES，WPA，WEP）等。
2.1  SP100.11a工作组概述
SP100.11a工作组是由SP100.14 与 SP100.11两个工作组合并而成。在ISA-100委员会成立之初，在众多的工作组中有两个独特的工作组：SP100.14与 SP100.11。其中SP100.14工作组定义用于各种工业监控、记录与报警的无线连接标准，希望通过对标准的优化获得独特的性能与成本优势。SP100.11工作组定义应用于各种控制的无线连接标准，该标准同样经过优化，以适应从闭环调节控制到开环手动操作的各种控制应用。要求两个工作组相互协调，以确保SP100可以提供完整与集成的工业无线应用标准。2006年10月，在美国休斯敦会议上，通过投票的方式确定了将SP100.14与SP100.11工作组合并成SP100.11a工作组。
1  SP100.11a工作组的范围
SP100.11a工作组主要负责定义OSI七层规范（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100毫秒，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；
? 定义一种具有与旧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。
? SP100设备的互操作性
2  SP100.11a工作组的组织结构
    SP100.11a工作组的任务是制定SP100.11a工业无线标准。目前，SP100.11a工作组主要由以下十个子工作组组成（图2）：系统工作组、汇集工作组、PHY/MAC层工作组、安全工作组、网络/传输层工作组、网络管理工作组、评估工作组、应用层工作组、编辑工作组合网关工作组。其中，系统工作组（S－TG）主要负责制订SP100.11a的系统框架、体系结构、系统目标，以及下面的任务：
1. 制定标准的详细目录；
2. 通过用户事件和专家知识总结与限定分歧之处；
3. 定义一个高水平的技术需求规范（TRD）；
4. 针对存在不一致和有争议的领域，进一步制定标准，进行评估。
汇集工作组（C－TG）于2006年12月在芝加哥会议上成立，主要负责以下的工作：
1. 建议一个折衷的体系结构和功能函数集；
2. 确定分歧；
3. 对需求和用户案例进行审计；
4. 对工作任务进行划分并成立对应的任务工作组；
5. 制定有争论领域的评估标准。
2.2  SP100.11a标准概述
SP100.11a标准目前还处于紧张的制定过程中，第一版将于2008年初期问世。因此，本节是对SP100.11a标准目前的情况作一个简单介绍。与此同时，HART通信基金会(HCF)于2007年5月宣布完成了WirelessHART通信规范的草稿，并发布给HCF会员企业供其阅读和批准。WirelessHART是一个开放式的、可互操作的无线通信标准，用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。WirelessHART可与之前的HART协议兼容，力求在用户需求、使用简单性、灵活性和友好性上能达到人们对于HART产品的期望。WirelessHART规范支持所有基于HART协议的测量、控制和自动化系统产品，其是对有线HART的补充，但并不会取而代之。WirelessHART的最终规范将在2007年夏季晚期通过，相关产品则将于2008年初问世。
SP100.11a标准与无线HART标准的主要区别如下：（1）无线HART仅针对于HART协议，而SP100.11a通过简单的无线基础结构能够支持多种协议：HART，Profibus，Modbus，FF等；（2）SP100.11a支持多种性能水平，以满足工业自动化的多种不同的应用需求，而不是仅仅局限于过程工业。（3）SP100.11a遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足于用户的需求。
SP100.11a标准在遵循欧洲、日本、加拿大和美国相关规范的前提下，可以在全世界范围内进行应用。
ISA-100.11a设备也将遵循地区的政策和法规，如果一些地区的政策不允许SP100.11a设备实现某些特征，SP100.11a设备将不具备这些特征。区域参数配置使得在上述地区配置某些特征成为可能。另外，提供其他的选择以允许设备在未列举出的地区使用；提供可选择的安全机制或算法，以便设备可以在对安全协议有限制的国家或地区使用。
ISA-100.11a是第一个开放的、面向于多种工业应用的标准族，其版本1的主要特征如下：
? 提供过程工业应用服务，包括工厂自动化；
? 在工厂内/工厂附近使用；
? 全球部署；
? 提供等级1(非关键)到等级5的应用，例如：监控；
? 保证不同厂家设备的互操作性；
? 物理层只包括IEEE 802.15.4-2006的2.4 GHz频段；在后续版本将推荐可选的其他物理层；
? 提供一个全面的共存策略；
? 跳信道的方式支持共存和增加可靠性；
? 使用一个简单的应用层提供本地和隧道协议，以实现广泛的可用性；
? 针对IEEE 802.15.4-2006 安全的主要工业威胁，提供简单、灵活、可选的安全方法；
? 现场设备具有支持网状和星型结构的能力。
1  网络结构
图3描述了一个简单的SP100.11a网络结构，网络中将至少有一个网络管理器、一个安全管理器、一个或多个网关。此外，网络中也包含有一系列无线现场设备，其中有一些设备具有路由功能，另一些设备可能没有路由能力或者不能被组态为路由设备。整个网络构建在一个或多个网关上，网关提供从SP100.11a到用户的应用转换。在一个SP100.11a网络中，信息通常从无线SP100.11a现场设备传递到网关，再从网关传递到无线现场设备。虽然SP100.11a支持设备对设备的直接通信，但并不倡导。 
如图3所示，一个SP100.11a网络由一些基本设备和系统管理设备构成，由这些部件构建一个近乎无限范围的拓扑结构是可能的。无论是单个孤立的节点，例如气井、油井附件的小节点或是非常小的机械车间，还是覆盖几十个平方公里的大的工厂，该体系结构都可以支持。
 
图3  SP100.11a简单网络结构示意图
图3也描述了SP100.11a网络支持一定水平的冗余，这些冗余能够用来弥补无线系统固有的不可靠性以及减少设备突然失效带来的故障隐患。SP100.11a体系结构支持可选的冗余设备，现场设备、路由、网关、网络管理器和安全管理器都可以冗余。此外，也支持以下设备间的冗余通信：每个现场设备与多个路由器之间；每个现场设备与多个网关之间；每个路由器与多个其它的路由器之间；每个路由器与其它多个网关之间；每个手持设备与多路径路由之间；每个现场设备、路由、网关或手持设备与多个网络管理器之间；每个现场设备、路由、网关或手持设备与多个安全管理器之间。
SP100.11a网络的现场设备层将支持3种重要的拓扑结构——星网型（星型和网状混合）、全网状、星型，因而可以覆盖很宽的应用场合。网状型可对节点部署进行灵活优化，星形网可对被控延迟进行优化。星形拓扑是网状网的子网，所以可以通过配置选项来实现。
(1)网状网结构示意图
图4所示为一个优化的、可灵活展开的网状网结构示意图。该结构最重要的一点是现场设备和用户应用进程能方便地实现自动连接的功能。其次，所有的设备和系统管理进程相互连接以保持网络正常的运行。现场设备通过无线路由器、其他的现场设备、网关、手持设备构成的网状网实现相互连接。互联的另一个重要方面是冗余，每个现场设备和应用进程之间能够通过网状网中的多条路径来传输各自的信息，这样能适应环境的动态变化和设备失效等突发事件。此外，也增加了无线路由设备绕过障碍物的通信功能，简化了安装。主要缺点是通信路径中延迟会发生变化，相对于某些应用需求其延迟可能过长。对于用户应用进程（UAP，User Application Process），无线网络看起来像是单个网络，不必考虑子网策略。在有良好通信能力的场合，网状网拓扑结构通常被用作监视和资产管理。
 
图4  网状网结构示意图
(2)星型网结构示意图
图5为星型网络结构示意图。星型结构主要应用于通讯实时性要求较高的控制和安全场合。该结构对被控响应时间进行了优化。所有现场设备和进程都相互连接，以达到应用和管理的目的。相对于网状网，这种连接方式直接通过网关，而不需要通过现场设备、路由或手持设备。这意味着可以更加容易地控制响应时间，UAP收集和发布控制信息的延迟时间也可以实现最小化。现场设备与网关之间的交互通过时间调度方式来组织，以减小系统抖动。采用冗余方法同样可以缓解发送失效和暂时通信拥塞所带来的问题。相对于网状网，星型网络的一个缺点就是需要更多的工作来完成系统安装，并且保证系统性能。
 
图5  星型网结构示意图
2 协议体系结构
SP100.11a标准致力于制定一个面向工业（包含有各种无线设备）的应用网络，为了达到这一目标，需要一个从物理层到应用层的完整协议规范。SP100.11a的协议体系结构如图6所示，参照了ISO/IEC7498的基本模型（OSI层或者OSI模型），但它只定义了与实际应用功能相关的层。SP100.11a所有节点类型都能通过下述模型中普通要素的扩展或者限制来实现。 
SP100.11a的体系结构由以下各层组成，每一层为其上层提供特定的服务：即数据服务实体提供数据传输服务；管理服务实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP，Serve Access Point）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
图中PLDE-SAP（Phy Layer Data Entity-SAP）、MLDE-SAP（Mac Layer Data Entity-SAP）、UDLDE-SAP（Upper Data link sub-Layer Data Entity-SAP）、NLDE-SAP（Network Layer Data Entity-SAP）、TLDE-SAP（Transport Layer Data Entity-SAP）和ASLDE-SAP（Application Sub-Layer Data Entity-SAP）分别指物理层数据实体服务接入点、MAC层数据实体服务接入点、数据链路层数据实体服务接入点、网络层数据实体服务接入点、传输层数据实体服务接入点和应用支持子层数据实体服务接入点，这些服务接入点的基本功能是实现各层之间的数据单元交互。
PLME-SAP（Phy Layer Management Entity-SAP）、MLME-SAP（Mac Layer Management Entity-SAP）、UDLME-SAP（Upper Data Link sub-layer Management Entity-SAP）、NLME-SAP（Network Layer Management Entity-SAP）、TLME-SAP（Transport Layer Management Entity-SAP）和ASLME-SAP（Application Sub-Layer Management Entity-SAP）分别是指物理层管理实体接入点、MAC层管理实体接入点、数据链路层管理实体接入点、网络层管理实体接入点、传输层管理实体接入点和应用支持子层管理实体服务接入点。管理实体的基本功能是管理通信层实体间的数据交换和更改通信层实体的行为。例如网络管理实体可能包含改变网络地址的分配方法。