1、概述
WirelessHART流程無線系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，直接用戶和設(shè)計院都有深入了解WirelessHART流程無線系統(tǒng)的迫切愿望，其中對WirelessHART流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的要求令人非常關(guān)注。
在WirelessHART流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的資料中，曾多次涉及到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計規(guī)則，這些規(guī)則雖然大處相同，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 62591 WirelesSHART® System Engineering Guide (Revision 3.0)， WirelesSHART系統(tǒng)工程指南”中推薦了4條基本的設(shè)計規(guī)則，本文以此為主要內(nèi)容，又結(jié)合另一些資料，增加到6條。首先敘述這6條規(guī)則，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？最后介紹了為達(dá)到規(guī)則要求強化網(wǎng)絡(luò)的幾條措施。
2、WirelessHART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)則
2.1 最少5臺設(shè)備的規(guī)則
每個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)應(yīng)該至少有5臺WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備。每個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)至少5臺WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備，這樣在正常工作時，由于每臺WirelessHART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)備路由，即可充分發(fā)揮WirelessHART網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的冗余功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠的工作。當(dāng)新的WirelessHART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WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備的路由加入。
一些WirelessHART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)場啟動包已預(yù)先組態(tài)，開箱即可搭建一個安全的、堅固的自組織網(wǎng)絡(luò)。啟動包提供了一些功能選擇，使用戶能夠快速而方便地提高運行性能，同時體驗無線技術(shù)，獲取無線技術(shù)的操作經(jīng)驗，并為未來實現(xiàn)更大范圍的無線應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。這些智能無線現(xiàn)場啟動包的點數(shù)不多，但均要求至少5臺或5臺以上WirelessHART現(xiàn)場設(shè)備，如艾默生過程管理公司為用戶推出的智能無線現(xiàn)場啟動包和ABB公司的FieldKey入門套件，就是為了滿足本規(guī)則的要求。
2.2 3個鄰居的規(guī)則
每個WirelessHART網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場設(shè)備在有效范圍內(nèi)應(yīng)該最少有3個鄰居(鄰居即相鄰設(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，這可確保將至少有2臺能連接。這是冗余理論的一個應(yīng)用，在實際生產(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?，萬一某些移動設(shè)備對無線現(xiàn)場設(shè)備的傳輸路徑形成障礙，那至少還有2臺相鄰的設(shè)備可以提供傳輸路徑。所以設(shè)計時“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，以保證路徑的冗余性和多樣性。
當(dāng)無線現(xiàn)場設(shè)備只有一個鄰居時，如因為某種原因與這個唯一的鄰居通信斷開時，這臺無線現(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，每個設(shè)備必須有兩個相鄰設(shè)備。如果一個相鄰設(shè)備故障，第二個相鄰設(shè)備接管并提供WirelessHART網(wǎng)絡(luò)連接。但是一個真正強大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的最佳實踐是檢查每個設(shè)備有三個鄰居，由于在兩臺鄰居故障時仍然提供網(wǎng)絡(luò)連接，這給出了一個特別高的冗余級別。
2.3 百分比的規(guī)則
每個WirelessHART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⑾y點，例如，一個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)備刷新率快于2s，應(yīng)該在網(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，優(yōu)點是減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)(跳數(shù)指的是從數(shù)據(jù)源經(jīng)過中間路由器的傳遞到達(dá)網(wǎng)關(guān)過程中中間路由器的個數(shù)，如經(jīng)過4個中間路由器，則可稱跳數(shù)為4)，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，提高可靠性，同時電池能量的消耗減少，可延長電池的使用壽命。
當(dāng)20％的無線設(shè)備刷新率快于2s的網(wǎng)絡(luò)，出于加快數(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、提高可靠性的目的，應(yīng)該將在網(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WirelessHART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，當(dāng)然，如果無線現(xiàn)場設(shè)備之間相互路由，其有效范圍同網(wǎng)關(guān)有效范圍是相同的。通常情況下，如果WirelessHART網(wǎng)關(guān)與WirelessHART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。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，障礙物使網(wǎng)關(guān)有效范圍減少。下面是在工藝過程環(huán)境中網(wǎng)關(guān)有效距離的4個基本類別：
? 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。
? 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。
? 輕度障礙-152m，這是低密度的工廠環(huán)境，槽罐區(qū)是典型，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。
? 視線清晰-228m，這是無障礙物的工廠環(huán)境，而設(shè)備的天線是安裝在障礙物之上，地形的變化的角度小于5o。
WirelessHART的一些廠商為更長距離的應(yīng)用提供了選項和技術(shù)。
2.4 最大距離的規(guī)則
刷新率超過2s的無線設(shè)備與網(wǎng)關(guān)的距離應(yīng)該在網(wǎng)關(guān)2倍有效范圍內(nèi)，這一規(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。
這一條與上一條的規(guī)則有部分相似，但上一條規(guī)定的是全部無線現(xiàn)場設(shè)備(包括20％或更多的刷新率快于2s的無線設(shè)備和其余刷新率較低的無線設(shè)備)，本條規(guī)定則只對刷新率快于2s的無線設(shè)備做了規(guī)定，要求他們與網(wǎng)關(guān)的距離在2倍網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)。也就是說，要求刷新率快于2s的無線設(shè)備要么在網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)，能直接與網(wǎng)關(guān)通信而無需路由；要么在2倍網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)，僅僅只需通過一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)。這樣做的目的仍然是是減少數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奶鴶?shù)，加快數(shù)據(jù)刷新速度。
2.5 路徑穩(wěn)定性的規(guī)則
刷新率低于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。一般要求是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。
我們知道，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，由于WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的自組織、自適應(yīng)功能，實際傳輸?shù)穆窂诫S時都可能產(chǎn)生變化，如果這多條路徑中的某一條是傳輸數(shù)據(jù)最頻繁的，那么這一條路經(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 刷新率低于2s，其傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)(左下方設(shè)備)的路徑有2-1-3、2-3、2-3-5、2-4、2-4-5等多條，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%等，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)定性示意圖
大多數(shù)WirelessHART的供應(yīng)商提供安裝后的檢驗手段，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部署后，通過檢驗可以確認(rèn)是否能保證較高的路徑穩(wěn)定性。
2.6 最多7“跳”的規(guī)則
最多7“跳”原則，這是在技術(shù)交流會上艾默生過程管理的無線技術(shù)專家介紹的，大體意思是一臺無線設(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。
3、WirelessHART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)則的突破
由于上述規(guī)則是針對無線數(shù)據(jù)傳送可靠性特別高的要求制定的，當(dāng)降低一點標(biāo)準(zhǔn)用于無線數(shù)據(jù)傳送可靠性一般的場合，一部分規(guī)則又是可以“突破”的。
3.1 最少5臺設(shè)備的規(guī)則
少于5臺WirelessHART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。
如圖2是一個簡單的設(shè)計實例。在工藝配置圖上，網(wǎng)絡(luò)是針對一個工藝單元，已放置4臺WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)。圍繞網(wǎng)關(guān)的圓圈代表網(wǎng)關(guān)有效范圍。在這個例子中，我們看到了在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)僅有4臺設(shè)備。雖然達(dá)不到最少5臺設(shè)備的規(guī)則的要求，但從圖上看，4臺WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備離圓圈的邊緣較遠(yuǎn)，離網(wǎng)關(guān)的距離較近，都可以直接與網(wǎng)關(guān)通信，這4臺設(shè)備可以互為鄰居，所以這個網(wǎng)絡(luò)仍然可以實現(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，它也是最佳的。
圖2 最少5個的規(guī)則被“突破”的實例
對于大多數(shù)WirelessHART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)是很強大的。
3.2 3個鄰居的規(guī)則
3個鄰居的規(guī)則是要確保每一臺無線現(xiàn)場設(shè)備在任何時候能與2臺無線現(xiàn)場設(shè)備連接，因此，如果能確保與這2臺無線現(xiàn)場設(shè)備的連接，實際投運的規(guī)則是2個鄰居[3]。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，一個鄰居也可以接受。
3.3 百分比的規(guī)則
每個WirelessHART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)，這一比例低至10％，WirelessHART網(wǎng)絡(luò)也能工作。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比較小的時候，最少5臺的規(guī)則和3個鄰居的規(guī)則是重點需要考慮的；隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴(kuò)大，最少5臺的規(guī)則肯定能滿足，而3個鄰居的規(guī)則通常也能滿足，此時因檢測點數(shù)增多，開始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。
4、強化網(wǎng)絡(luò)的措施
當(dāng)實際WirelessHART網(wǎng)絡(luò)滿足不了WirelessHART網(wǎng)絡(luò)設(shè)計規(guī)則時，或者在現(xiàn)場進(jìn)行測試確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中可能存在缺陷時，需采取措施強化WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，通?？梢圆捎迷诰W(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)、添加接入點等方式。
4.1 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
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，無疑可以增加無線現(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，是強化網(wǎng)絡(luò)最主要、最基本的措施。
4.2 添加中繼器
中繼器是通過增加額外的通信路徑來加強無線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的，或者是擴(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)仍然是“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”，只不過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。而中繼器的功能只是強化網(wǎng)絡(luò)，他替代另外的具有特定測量用途的WirelessHART設(shè)備，可以使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一臺WirelessHART設(shè)備提供更多的連接路徑。
他可以在需要時就添加，而且其安裝位置不受有特定測量用途的WirelessHART設(shè)備的限制，可以在任意位置安裝。比如可以安裝在高處，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，可使有效范圍最大化，最大限度地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)(見圖3)。
圖3 安裝在高處的中繼器
但是在很多WirelessHART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，這個時候我們既可以選用如愛默生過程管理的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)，也可以選用各家公司生產(chǎn)的適配器作為中繼器的替代方案。因為WirelessHART無線現(xiàn)場設(shè)備有一個特點，他不僅僅是一臺無線參數(shù)變送器，同時還是一臺路由器，更是一臺中繼器，當(dāng)然它也可以只作為中繼器來使用。
如果使用本地電源，中繼器(包括WirelessHART適配器)的費用可以節(jié)省一些。
4.3 移動網(wǎng)關(guān)位置
將網(wǎng)關(guān)移動到WirelessHART儀表分布相對更集中的位置，也是強化網(wǎng)絡(luò)的一個方法。更多的時候網(wǎng)關(guān)可能布置在離安裝控制系統(tǒng)的控制室外的墻上或屋頂上，這里不一定是WirelessHART儀表分布相對最集中的位置，移動一下網(wǎng)關(guān)，可能與控制系統(tǒng)的有線連接距離稍長，但對強化網(wǎng)絡(luò)來說好處更多一些。
4.4 添加另一個網(wǎng)關(guān)
添加另一個網(wǎng)關(guān)，這增加了工藝單元的整體容量，地點在特定現(xiàn)場設(shè)備集中的地點安放，能更好地確保長期的、無故障的可擴(kuò)展性。
在圖4中，原有的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)僅有畫面中部的5臺無線現(xiàn)場設(shè)備和一個網(wǎng)關(guān)，后來新增了右下方十余臺無線現(xiàn)場設(shè)備，他們都位于原有網(wǎng)關(guān)的的有效范圍外，移動原有網(wǎng)關(guān)的位置也達(dá)不到規(guī)則的要求，后添加了另一個網(wǎng)關(guān)，使網(wǎng)絡(luò)的綜合性能大大提高(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過添加一臺中繼器的效果)。比當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的百分比的規(guī)則、最大距離的規(guī)則、最多7“跳”的規(guī)則等原有網(wǎng)關(guān)達(dá)不到要求時，添加了另一個網(wǎng)關(guān)后，可能問題都能解決。
圖4 添加另一個網(wǎng)關(guān)的過程實例
4.5 添加接入點
接入點是負(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，起無線現(xiàn)場設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的橋梁作用。如果系統(tǒng)規(guī)模很小，網(wǎng)關(guān)可以直接連接為數(shù)不多的無線現(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，接入點將眾多的無線現(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。
WirelessHART接入點的一邊與WirelessHART網(wǎng)絡(luò)相連，另外一邊是一個外部連接。這個外部連接可以是一個以太網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或一個專有網(wǎng)絡(luò)。WirelessHART接入點不能直接與過程控制系統(tǒng)相連，而是通過一個WirelessHART網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)或控制系統(tǒng)的連接，這是接入點與網(wǎng)關(guān)不同的地方。雖然有關(guān)的書籍介紹了WirelessHART的設(shè)備類型中有這一類產(chǎn)品，但在WirelessHART生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品中，目前尚未見到實際的產(chǎn)品。
由于接入點與網(wǎng)關(guān)的價格相比較低，僅從完成強化網(wǎng)絡(luò)來說，兩者所起作用基本相同，所以如果有合適的產(chǎn)品，選用添加接入點的方法無疑更經(jīng)濟(jì)實惠。
作者：方原柏，湖北黃岡人，昆明有色冶金設(shè)計研究院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學(xué)會副理事長，冶金自動化、衡器、自動化信息等雜志編委
