ISA100.11.a标准

ISAl00.11a标准由美国仪器仪表l办会(ISA)下属的ISA100工业无线委员会制定，该委员会致力十通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术ISAl00.lla标准的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，其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。ISAl00.lla标准希一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。

ISA100. l la标准在遵循欧洲、口本、加拿大和美国相关规范的前提下，可以在全世界范围内应用。ISAl00.lla设备遵循地区的政策和法规，如果一些地区的政策不允许实现某些特征，ISAl00.lla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。

ISA100. l la标准遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足十用户的需求。ISAl00.lla标准是用十工业传感器和执行器网络的多功能标准，它可以为众多应用提供可靠、安全的运行方案。ISA100. l la通

过简单的无线基础结构能够支持多种协议:HART, Profibus, Modbus, FF等;ISA100. l la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，Ifu不仅仅局限十过程工业。与无线HART标准、中国的WIA-PA标

准相比，ISA100. l la标准具有以下一些特色和优势:C1)隧道和映射技术，ISAl00.lla协议栈能够便利地、简单地通过无线介质传输各种应用协议; C2)骨干网路由，通过高效的骨干网更为直接的传递数据信息，这样可

以减少数据无线传输的跳数，在网络规模较大其优势尤其明显;C3)灵活的时隙长度和超帧长度。

2009年4月24口，ISAl00.lla标准以81.0%的赞成率通过了ISA100委员会的阶段投票。随后，ISA100委员会正式向国际电工委员会IEC/SC65提交了IEC PAS文件草案的表决稿，以期望成为IEC国际标准。该阶段投票通过说明ISAl00.1 la标准草案已经基本成熟。随后，基于ISAl00.1 la标准的设备将越来越多地被应用十工程实际，最终形成ISAl00.lla标准的设备产业集群。

世界著名市场调研公司ONWorld的2007年度调研报告表明"55%的人计划采用ISA100技术，40%说计划支持无线HART "。由此可见，ISAl00.lla是将会成为最受关注、最有影响力的工业无线技术之一，针对ISAl00.lla技术的研究和开发工作正如火如茶的进行。但是，由十ISAl00.lla标准使用自然语言描述，并b‘涉及很多关键技术，实现者对十协议的不同理解会导致不同的协议实现，甚至有时会是错误实现。因此，ISA100标准产业化的前提条件之一是所有产品必须通过严格的一致性、互操作性等测试和认证，来检测被测协议实现与协议规范的符合程度。

ISA100.11.a概述

ISA100. l la标准是第一个开放的、面向十多种工业应用的标准，其主要特征如下:

(1)提供过程工业应用服务，包括工厂自动化;

(2)在工厂内/工厂附近使用;

(3)全球部署;

(4)提供等级1(非关键)到等级5的应用;

(5)保证不同厂家设备的互操作性;

(6)跳信道的方式支持共存和增加可靠性;

(7)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;

(8)针对IEEE 802.15.4-2006[19]安全的主要工业威胁，提供简单、灵

活、可选的安全方法;

(9)现场设备具有支持网状和星型结构的能力。

ISA100.11.a体系结构

ISA100. l la标准协议体系结构遵循ISO/OSI的七层结构，但只定义了物理层、数据链路层CDLL)、网络层、传输层和应用层。数据链路层包括IEEE 802.15.4的MAC子层、ISAl00.lla的MAC扩展层和数据链路层上层，应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器。

每一层提供了两种服务访问点（SAP),即数据服务实体提供数据传输服务和管理服务实体提供管理服务，上层通过这两种服务访问点(SAP)使用下层提供的功能服务。在ISAl00.lla网络中，一个设备只能通过ISAl00.lla应用子层(ASL)提供的数据服务访问点与其它设备进行通信。在每个设备里，设备管理器是一个具有管理功能的实体，可以直接访问应用子层、传输层、网络层和DLL的管理信息库。

物理层通过数据服务访问点(PLDE SAP)和管理服务访问点(PLMES AP)给IEEE 802.15.4的MAC子层提供了服务接口。物理层主要功能有激活和休眠射频收发器，发射功率控制，信道能量检测(ED)，检测接受数据包的链路质量指示(LQI，空闲信道评估(CCA)和收发数据。

IEEE 802.15.4的MAC子层通过数据服务访问点(MLDE SAP)和管理服务访问点(MLME SAP)给ISAl00.lla的MAC扩展层提供了服务接口。ISAl00.lla的MAC扩展层主要负责时间同步、跳信道和通信调度，提供点对点数据通信的重传机制，TDMA和CSMA信道访问机制，在两个对等的ISAl00.lla的MAC扩展层实体之间提供一个可靠的通信链路。

数据链路层C DLL)子层通过数据服务访问点(DLDE SAP)给网络层提供了服务接口，通过管理服务访问点(DLME SAP)给系统管理器或设备管理应用进程(DLME SAP)提供了服务接口。DLL子层主要负责DLL帧头的

装载和解析、DLL层的安全、ISAl00.lla DLL子网内的路由、邻居发现及 ISAl00.lla的MAC扩展层的时间同步、跳信道和通信调度能够正常工作。

ISA100. l la标准的目标是将各种传感器无线网络集成到各种应用中，所以IP技术与无线技术融合的想法促使ISAl00.1 la网络层的主要工作是采用IPv6协议的骨干网以及骨干网与DL子网间的转换上。网络层主要负

责网络层帧头的装载和解析，数据报文的分片和重组，IPv6帧头的HC1压缩方案以及6Lo WPAN的路由技术等。

传输层提供端到端的通信服务，负责传输层帧头的装载和解析，传输层的安全和管理信息库的管理。传输层支持UDP协议，为了实现设备与其他网络的统一编址和网络的互通，传输层支持IPv6版本IP地址。

应用子层不包含任何用户应用，只在那些应用和网络服务间提供接口，即给用户应用进程和设备管理进程提供各种服务，ISA 100.11a中共有7种服务，分别为读服务、写服务、发布服务、执行服务、隧道服务、报

警服务、报警接收服务。

用户应用进程是一个设备内的所有应用对象的总和。设备管理进程DMAP ( Device management application process)用于管理设备本身和与其它设备。系统管理器下发的管理信息都通过设备的DMAP对本设备的每一

层进行管理和配置。在一个设备中，DMAP会设置一个专门的通道通向较低的协议层，目的是对这些层的操作提供直接的控制，并目‘能对诊断和状态信息提供直接的接口。

ISA100.11.a网络拓扑结构

为了满足工业应用的需求，ISAl00.lla支持多种网络拓扑，如星型结构、Mesh结构等。星型网络拓扑结构，容易实现，实时性高，但仅限单跳范围。Mesh结构拓扑结构灵活，便十配置和扩展，同时具备良好的稳定性。为了扩大网络覆盖面积，在ISAl00.lla网络结构中引入骨干网，骨干网是一个高速的网络，可以减小数据时延。所有现场设备通过骨干路由器接入骨干网，现场设备和骨干路由器组成的网络为ISAl00.lla DLL子网。ISAl00.lla DLL子网不I I骨干网就纲_成了ISA100. l la网络。 如果ISAl00.lla网络中没有骨干网，ISAl00.lla DLL子网包括现场设备和网关，等同于ISAl00.1 1.a网络。

如果ISAl00.lla网络中有骨干网，ISAl00.lla DLL子网只包含现场设备和骨干路由器， 而 ISAl00.lla网络包含所有相关DLL子网骨干路由器和网关。

ISA100.11.a设备类型

ISA100. l la标准协议定义了以下5种设备类型:

(1)上位机，即控制系统，是工程师、用户和管理者与ISA100. l la网络实现交互的平台。

(2)网关，提供了上位机和ISAl00.lla网络的接口，提供了ISAl00.1 la 网络与其它工厂级网络的接口。一个ISAl00.1 la网络系统可以有多个网关。

(3)骨干路由器，是ISA100. l la骨干网络的基础设施，负责骨干网络中的数据路由。ISAl00.lla骨干网络上的通信协议可以是无线协议，如802.11 b，也可以是有线协议。因此，ISAl00.lla网络可以借助其它高性能的网络。

(4)现场设备，有现场路由器和终端设备两种设备，一般为传感器设备或执行器设备。现场路由器除了具有终端设备上的功能外，还有路由功能，负责ISAl00.lla DLL子网中的数据路由。

(5)手持设备，是用户访问ISAl00.1 la网络的接入设备，用十现场维护与配置网络，还可以调校现场设备。