方原柏

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，昆明650051）

Wireless HART流程無線系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，直接用戶和設(shè)計(jì)院都有深入了解Wireless HART流程無線系統(tǒng)的迫切愿望，其中對Wireless HART流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)注尤其強(qiáng)烈。

在Wireless HART流程無線系統(tǒng)資料中，曾多次涉及網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)則，這些規(guī)則雖然大體相同，但又存在一些差異，特別是作為規(guī)則（Rule），他又可以突破（Break），具體該怎樣理解這些規(guī)則，又該怎樣理解這些規(guī)則的“突破”？

在IEC 62591Wireless HART System Engineering Guide（Revision 3.0）中推薦了4條基本的設(shè)計(jì)規(guī)則，筆者以此為主要內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)資料，將設(shè)計(jì)規(guī)則增加到6條，然后介紹在何種情況下可以突破這些規(guī)則，突破的“底線”又是多少以及為達(dá)到規(guī)則要求強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的幾條措施。

1 WireIess HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則

1.1 至少5臺設(shè)備的規(guī)則

每個Wireless HART網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)應(yīng)該至少有5臺Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備，這樣在正常工作時，由于每臺Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備同時也是路由器，可以為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他現(xiàn)場設(shè)備作路由，即可充分發(fā)揮Wireless HART網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的冗余功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠的工作。當(dāng)新的Wireless HART設(shè)備需要添加到網(wǎng)絡(luò)中時，可通過現(xiàn)有的至少5臺Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備的路由加入。

一些Wireless HART設(shè)備生產(chǎn)廠推出智能無線現(xiàn)場啟動包，發(fā)貨時智能無線現(xiàn)場啟動包預(yù)先組態(tài)，開箱即可搭建一個安全的、堅(jiān)固的自組織網(wǎng)絡(luò)。啟動包提供了一些功能選擇，使用戶能夠快速、方便地提高運(yùn)行性能，同時體驗(yàn)無線技術(shù)，獲取無線技術(shù)的操作經(jīng)驗(yàn)，并為未來實(shí)現(xiàn)更大范圍的無線應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。這些啟動包的點(diǎn)數(shù)不多，但均要求不少于5臺的Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備。

1.2 3個“鄰居”的規(guī)則

每臺Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備在有效范圍內(nèi)應(yīng)該最少有3個“鄰居”（相鄰設(shè)備的俗稱），在現(xiàn)場設(shè)備互連的情況隨時間有可能發(fā)生變化時，可確保至少有2臺連接。這是冗余理論的一個應(yīng)用，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場條件多變的情況下，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，以防某些移動設(shè)備對無線現(xiàn)場設(shè)備的傳輸路徑形成障礙，至少還有2臺相鄰的設(shè)備可以提供傳輸路徑，因此設(shè)計(jì)時“3個鄰居的規(guī)則”可確保設(shè)備相對集中、相互間傳輸路徑通暢以及路徑的冗余性和多樣性。

當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備只有1個“鄰居”時，如由于某種原因與該唯一的“鄰居”通信斷開時，該臺無線現(xiàn)場設(shè)備的通信即中斷，這是不允許的。為了構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡(luò)的冗余路徑，每臺設(shè)備必須有2個相鄰設(shè)備。如果1個相鄰設(shè)備故障，另1個相鄰設(shè)備接管并提供Wireless HART網(wǎng)絡(luò)連接。但是一個真正強(qiáng)大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)每臺設(shè)備應(yīng)至少有3個“鄰居”，在2個“鄰居”故障時仍然可提供網(wǎng)絡(luò)連接，這給出了一個特別高的冗余級別。

1.3 百分比的規(guī)則

每個Wireless HART網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該至少有25%的現(xiàn)場設(shè)備在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)，以確保適當(dāng)?shù)膸挷⑾y點(diǎn)，例如，某個100臺設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)意味著有25臺在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)。如果網(wǎng)絡(luò)中20%的無線設(shè)備刷新率大于2s，應(yīng)該將網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)的現(xiàn)場設(shè)備從25%增加至50%。

無線現(xiàn)場設(shè)備在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)，可以保證這些無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)直接通信而無需路由，從而減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)（跳數(shù)是指從數(shù)據(jù)源經(jīng)過中間路由器傳遞到達(dá)網(wǎng)關(guān)過程中，中間路由器的個數(shù)），加快數(shù)據(jù)刷新速度，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性時延及安全風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性，同時減少電池能量的消耗，延長電池的使用壽命。

當(dāng)20%的無線設(shè)備刷新率大于2s的網(wǎng)絡(luò)，基于加快數(shù)據(jù)刷新速度、降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性時延及安全風(fēng)險(xiǎn)、提高可靠性的目的，將在網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)量的百分比增加是理所當(dāng)然的。

這里網(wǎng)關(guān)有效范圍指的是在Wireless HART網(wǎng)關(guān)與無線現(xiàn)場設(shè)備之間信號傳輸良好時的直線距離。如果無線現(xiàn)場設(shè)備之間相互做路由器，其有效范圍同網(wǎng)關(guān)有效范圍是相同的。通常情況下，當(dāng)Wireless HART網(wǎng)關(guān)與Wireless HART現(xiàn)場設(shè)備采用全方向性天線且都安裝在地面以上至少2m時，如果他們之間沒有任何障礙物，有清晰的視線，網(wǎng)關(guān)有效范圍是228m。但大多數(shù)過程環(huán)境中有高密度的金屬（如鋼制設(shè)備）或建筑物等障礙物，使網(wǎng)關(guān)有效范圍減少。以下是在工藝過程環(huán)境中設(shè)置網(wǎng)關(guān)有效距離的4個基本原則：

1）嚴(yán)重障礙——30m。這是典型的高密度工廠環(huán)境，無法駕駛卡車或讓較大型設(shè)備通過。

2）中等障礙——76m。這是中等密度的工廠環(huán)境，在設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施之間有一定的空間。

3）輕度障礙——152m。這是低密度的工廠環(huán)境，如槽罐區(qū)，盡管槽罐本身是大障礙物，但在大量槽罐之間及上方，有良好的無線信號傳播空間。

4）視線清晰——228m。這是無障礙物的工廠環(huán)境，設(shè)備的天線安裝在障礙物之上，地形變化的角度小于5°。

Wireless HART的一些廠商為更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用提供了選項(xiàng)和技術(shù)。

1.4 最大距離的規(guī)則

刷新率大于2s的無線設(shè)備與網(wǎng)關(guān)的距離應(yīng)該在網(wǎng)關(guān)有效范圍2倍以內(nèi)，該規(guī)則為需要高速更新的監(jiān)視和控制應(yīng)用提供了最快的響應(yīng)速度。

1.4 節(jié)與1.3節(jié)的規(guī)則有部分相似，但1.3節(jié)規(guī)定的是全部無線現(xiàn)場設(shè)備（包括20%或更多的刷新率大于2s的無線設(shè)備和其余刷新率較小的無線設(shè)備），1.4節(jié)規(guī)定則只對刷新率大于2s的無線現(xiàn)場設(shè)備作了規(guī)定，要求無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)的距離在2倍網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)，即要求刷新率大于2s的無線設(shè)備在網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)，能直接與網(wǎng)關(guān)通信而無需路由，或在2倍網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)，僅需通過1臺中間路由器的路由，一“跳”就可以將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)，以減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)，加快數(shù)據(jù)刷新速度。

1.5 路徑穩(wěn)定性的規(guī)則

刷新率小于2s的控制和高速監(jiān)視無線現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)該比一般的監(jiān)控設(shè)備有較高的路徑穩(wěn)定性，一般要求60%的路徑穩(wěn)定性，達(dá)到70%可以被推薦用于控制和高速監(jiān)控。

由于某臺無線設(shè)備傳送到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)要求有多條路徑，加之Wireless HART網(wǎng)絡(luò)的自組織、自適應(yīng)功能，實(shí)際傳輸?shù)穆窂诫S時都可能發(fā)生變化，如果多條路徑中的某一條是傳輸數(shù)據(jù)最頻繁的，那么該條路經(jīng)就是最穩(wěn)定的。

圖1表示了網(wǎng)絡(luò)中有5臺無線現(xiàn)場設(shè)備的一個局部，無線現(xiàn)場設(shè)備2刷新率小于2s，其傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)的路徑有2—1—3，2—3，2—3—5，2—4，2—4—5等5條。如果經(jīng)測試5條路徑穩(wěn)定性的測量值分別為5%，75%，1%，15%，4%，那么路徑2—3的75%路徑穩(wěn)定性不僅達(dá)到一般要求，而且達(dá)到了可以被推薦用于控制和高速監(jiān)控的要求。

圖1 路徑穩(wěn)定性示意

大多數(shù)Wireless HART的供應(yīng)商提供了安裝后的檢驗(yàn)方法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署后，通過檢驗(yàn)可以確認(rèn)是否能保證較高的路徑穩(wěn)定性。

1.6 最多7“跳”的規(guī)則

最多7“跳”是指1臺無線設(shè)備借助其他無線設(shè)備的路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)時，中間路由次數(shù)最多7次。由于無線設(shè)備借助某臺無線設(shè)備路由的過程俗稱為1“跳”，“跳”的次數(shù)太多，傳送數(shù)據(jù)的滯后時間太長，因而是不可取的。

2 WireIess HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則的突破

上述規(guī)則是針對無線數(shù)據(jù)傳送可靠性要求特別高的場合制訂的，當(dāng)降低標(biāo)準(zhǔn)用于無線數(shù)據(jù)傳送可靠性一般的場合，部分規(guī)則則是可以“突破”的。

2.1 最少5臺設(shè)備的規(guī)則

少于5臺Wireless HART無線現(xiàn)場設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)也可以正常工作，附加的規(guī)定是網(wǎng)關(guān)應(yīng)該與所有的無線現(xiàn)場設(shè)備直接通信，以增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

圖2是一個簡單的設(shè)計(jì)案例。在工藝配置圖上，網(wǎng)絡(luò)針對一個工藝單元，已放置4臺 Wireless HART無線現(xiàn)場設(shè)備與1臺網(wǎng)關(guān)。圍繞網(wǎng)關(guān)的圓代表網(wǎng)關(guān)有效范圍。圖2中，在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)僅有4臺無線現(xiàn)場設(shè)備。雖然達(dá)不到最少5臺設(shè)備的規(guī)則要求，但從圖2中可以看出，4臺Wireless HART無線現(xiàn)場設(shè)備離圓的邊緣較遠(yuǎn)，離網(wǎng)關(guān)的距離較近，都可以直接與網(wǎng)關(guān)通信，4臺設(shè)備可以互為鄰居，因此該網(wǎng)絡(luò)仍然可以實(shí)現(xiàn)良好的技術(shù)特性，對于可靠性和可添加更多的新無線現(xiàn)場設(shè)備來說，也是最佳的。

對于大多數(shù)Wireless HART網(wǎng)絡(luò)來說，30臺或更多的無線現(xiàn)場設(shè)備組建的網(wǎng)絡(luò)是很強(qiáng)大的。

2.2 3個“鄰居”的規(guī)則

3個“鄰居”的規(guī)則是要確保每1臺無線現(xiàn)場設(shè)備在任何時候能與2臺無線現(xiàn)場設(shè)備連接，因而如果能確保與這2臺無線現(xiàn)場設(shè)備的連接，實(shí)際投運(yùn)的規(guī)則是2個“鄰居”［1］。當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備是在網(wǎng)絡(luò)的外周邊而數(shù)據(jù)不重要時，1個“鄰居”也可以接受。

圖2 最少5個的規(guī)則被“突破”的案例

2.3 百分比的規(guī)則

每個Wireless HART網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該至少有25%的設(shè)備在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)，當(dāng)比例低至10%時，Wireless HART網(wǎng)絡(luò)也能工作。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比較小的時候，至少5臺的規(guī)則和3個“鄰居”的規(guī)則是重點(diǎn)需要考慮的；隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴(kuò)大，至少5臺的規(guī)則和3個“鄰居”的規(guī)則通常能滿足網(wǎng)絡(luò)要求，此時因檢測點(diǎn)數(shù)增多，需要考慮百分比的規(guī)則；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，在工藝過程空間里有眾多設(shè)備，區(qū)域面積也擴(kuò)大了，百分比規(guī)則成為占主導(dǎo)地位的規(guī)則。

3 強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的措施

當(dāng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)滿足不了Wireless HART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則時，或者現(xiàn)場測試確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中可能存在缺陷時，需采取措施強(qiáng)化Wireless HART網(wǎng)絡(luò)，通常采用在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)添加更多的設(shè)備，添加中繼器、移動網(wǎng)關(guān)位置，添加另一個網(wǎng)關(guān)，添加接入點(diǎn)等方式解決。

3.1 添加更多的無線現(xiàn)場設(shè)備

在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)添加更多的無線現(xiàn)場設(shè)備，可以增加無線現(xiàn)場設(shè)備的“鄰居”，增加在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)量及比例，這是強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)最主要、最基本的措施。

3.2 添加中繼器

中繼器是通過增加額外的通信路徑來加強(qiáng)無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的一種無線現(xiàn)場設(shè)備。添加中繼器的本質(zhì)是“在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)添加更多的無線現(xiàn)場設(shè)備”，由于受工藝檢測條件要求的限制，不可能添加更多的無線現(xiàn)場設(shè)備。而中繼器的功能是強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)，可替代另外的具有特定測量用途的Wireless HART設(shè)備，可給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何1臺Wireless HART無線現(xiàn)場設(shè)備提供更多的連接路徑。

中繼器可以在需要時添加，而且安裝位置不受有特定測量用途的Wireless HART設(shè)備的限制，可以在任意位置安裝。如可以安裝在高處，躲開密集的障礙物，提供與更多無線現(xiàn)場設(shè)備的直接路由，使有效范圍最大化，從而最大限度地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)［2－3］。

但是，在很多Wireless HART設(shè)備供貨廠家的產(chǎn)品目錄中，您可能找不到中繼器這個產(chǎn)品，此時既可以選用648無線溫度變送器、702型無線開關(guān)量變送器（其價格相對便宜），也可以選用其他公司生產(chǎn)的適配器作為中繼器的替代。因?yàn)閃ireless HART無線現(xiàn)場設(shè)備不但是1臺無線參數(shù)變送器，而且還是1臺路由器，更是1臺中繼器。如果使用本地電源，可以節(jié)省中繼器（包括Wireless HART適配器）的費(fèi)用。

3.3 移動網(wǎng)關(guān)位置

將網(wǎng)關(guān)移動到Wireless HART儀表分布相對更集中的位置，也是強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的一個方法。更多的時候網(wǎng)關(guān)可能布置在控制室外的墻上或屋頂上，可能不是Wireless HART儀表分布相對最集中的位置，移動網(wǎng)關(guān)，可能與控制系統(tǒng)的有線連接距離稍長，但可以強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)。

3.4 添加1個網(wǎng)關(guān)

添加1個網(wǎng)關(guān)，會增加工藝單元的整體容量，地點(diǎn)在特定現(xiàn)場設(shè)備集中的地點(diǎn)安放，能更好地確保長期的、無故障的可擴(kuò)展性。

在圖2中，原有的Wireless HART網(wǎng)絡(luò)僅有畫面中部的4臺無線現(xiàn)場設(shè)備和1個網(wǎng)關(guān)，后來新增的無線現(xiàn)場設(shè)備都位于原有網(wǎng)關(guān)的有效范圍外，移動原有網(wǎng)關(guān)的位置也達(dá)不到規(guī)則的要求，因而再添加1個網(wǎng)關(guān)，可使網(wǎng)絡(luò)的綜合性能大幅提高（遠(yuǎn)超過添加1臺中繼器的效果）。

3.5 添加接入點(diǎn)

接入點(diǎn)是負(fù)責(zé)從無線現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包的設(shè)備，是無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的橋梁。如果系統(tǒng)規(guī)模很小，網(wǎng)關(guān)可以直接連接無線現(xiàn)場設(shè)備；當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大時，往往需要有多個接入點(diǎn)，接入點(diǎn)將眾多的無線現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集后送到網(wǎng)關(guān)，這種情況下可以提高網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量和可靠性。

Wireless HART接入點(diǎn)的一邊與Wireless HART網(wǎng)絡(luò)相連，另外一邊是1個外部連接。該外部連接可以是1個以太網(wǎng)、Wi－Fi網(wǎng)絡(luò)或1個專有網(wǎng)絡(luò)。Wireless HART接入點(diǎn)不能直接與過程控制系統(tǒng)相連，需通過1個Wireless HART網(wǎng)關(guān)或上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)的連接，這是接入點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)不同的地方。

由于接入點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的相比價格較低，僅從強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)來說，兩者所起作用基本相同。因此，如果有合適的產(chǎn)品，選用添加接入點(diǎn)的方法更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

4 結(jié)束語

Wireless HART流程無線系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)從試驗(yàn)走向推廣，直接用戶和設(shè)計(jì)人員都需要在實(shí)際使用過程中積累經(jīng)驗(yàn)，也需要通過一些技術(shù)資料學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗(yàn)，兩者相互印證，使實(shí)際經(jīng)驗(yàn)條理化，使得有關(guān)流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的知識進(jìn)一步深化，促進(jìn)流程無線系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

［1］方原柏.Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的現(xiàn)場調(diào)查［J］.儀表世界，2013（04）：20－22.

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