Wireless HART網絡設計規則

方原柏

（昆明有色冶金設計研究院，昆明650051）

Wireless HART流程無線系統的應用越來越廣泛，直接用戶和設計院都有深入了解Wireless HART流程無線系統的迫切愿望，其中對Wireless HART流程無線系統網絡設計的關注尤其強烈。

在Wireless HART流程無線系統資料中，曾多次涉及網絡的設計規則，這些規則雖然大體相同，但又存在一些差異，特別是作為規則（Rule），他又可以突破（Break），具體該怎樣理解這些規則，又該怎樣理解這些規則的“突破”？

在IEC 62591Wireless HART System Engineering Guide（Revision 3.0）中推薦了4條基本的設計規則，筆者以此為主要內容，結合相關資料，將設計規則增加到6條，然后介紹在何種情況下可以突破這些規則，突破的“底線”又是多少以及為達到規則要求強化網絡的幾條措施。

1 WireIess HART網絡設計規則

1.1 至少5臺設備的規則

每個Wireless HART網絡在網關的有效范圍內應該至少有5臺Wireless HART現場設備，這樣在正常工作時，由于每臺Wireless HART現場設備同時也是路由器，可以為網絡內其他現場設備作路由，即可充分發揮Wireless HART網絡內在的冗余功能，實現網絡可靠的工作。當新的Wireless HART設備需要添加到網絡中時，可通過現有的至少5臺Wireless HART現場設備的路由加入。

一些Wireless HART設備生產廠推出智能無線現場啟動包，發貨時智能無線現場啟動包預先組態，開箱即可搭建一個安全的、堅固的自組織網絡。啟動包提供了一些功能選擇，使用戶能夠快速、方便地提高運行性能，同時體驗無線技術，獲取無線技術的操作經驗，并為未來實現更大范圍的無線應用奠定基礎。這些啟動包的點數不多，但均要求不少于5臺的Wireless HART現場設備。

1.2 3個“鄰居”的規則

每臺Wireless HART現場設備在有效范圍內應該最少有3個“鄰居”（相鄰設備的俗稱），在現場設備互連的情況隨時間有可能發生變化時，可確保至少有2臺連接。這是冗余理論的一個應用，在實際生產現場條件多變的情況下，為了保證數據傳輸的可靠性，以防某些移動設備對無線現場設備的傳輸路徑形成障礙，至少還有2臺相鄰的設備可以提供傳輸路徑，因此設計時“3個鄰居的規則”可確保設備相對集中、相互間傳輸路徑通暢以及路徑的冗余性和多樣性。

當無線現場設備只有1個“鄰居”時，如由于某種原因與該唯一的“鄰居”通信斷開時，該臺無線現場設備的通信即中斷，這是不允許的。為了構成Mesh網絡的冗余路徑，每臺設備必須有2個相鄰設備。如果1個相鄰設備故障，另1個相鄰設備接管并提供Wireless HART網絡連接。但是一個真正強大的網狀網絡每臺設備應至少有3個“鄰居”，在2個“鄰居”故障時仍然可提供網絡連接，這給出了一個特別高的冗余級別。

1.3 百分比的規則

每個Wireless HART網絡應該至少有25%的現場設備在網關的有效范圍內，以確保適當的帶寬并消除難點，例如，某個100臺設備的網絡意味著有25臺在網關的有效范圍內。如果網絡中20%的無線設備刷新率大于2s，應該將網關有效范圍內的現場設備從25%增加至50%。

無線現場設備在網關的有效范圍內，可以保證這些無線現場設備與網關直接通信而無需路由，從而減少數據無線傳輸的跳數（跳數是指從數據源經過中間路由器傳遞到達網關過程中，中間路由器的個數），加快數據刷新速度，降低數據傳輸的不確定性時延及安全風險，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20%的無線設備刷新率大于2s的網絡，基于加快數據刷新速度、降低數據傳輸的不確定性時延及安全風險、提高可靠性的目的，將在網關有效范圍內的設備數量的百分比增加是理所當然的。

這里網關有效范圍指的是在Wireless HART網關與無線現場設備之間信號傳輸良好時的直線距離。如果無線現場設備之間相互做路由器，其有效范圍同網關有效范圍是相同的。通常情況下，當Wireless HART網關與Wireless HART現場設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，網關有效范圍是228m。但大多數過程環境中有高密度的金屬（如鋼制設備）或建筑物等障礙物，使網關有效范圍減少。以下是在工藝過程環境中設置網關有效距離的4個基本原則：

1）嚴重障礙——30m。這是典型的高密度工廠環境，無法駕駛卡車或讓較大型設備通過。

2）中等障礙——76m。這是中等密度的工廠環境，在設備和基礎設施之間有一定的空間。

3）輕度障礙——152m。這是低密度的工廠環境，如槽罐區，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境，設備的天線安裝在障礙物之上，地形變化的角度小于5°。

Wireless HART的一些廠商為更遠距離的應用提供了選項和技術。

1.4 最大距離的規則

刷新率大于2s的無線設備與網關的距離應該在網關有效范圍2倍以內，該規則為需要高速更新的監視和控制應用提供了最快的響應速度。

1.4 節與1.3節的規則有部分相似，但1.3節規定的是全部無線現場設備（包括20%或更多的刷新率大于2s的無線設備和其余刷新率較小的無線設備），1.4節規定則只對刷新率大于2s的無線現場設備作了規定，要求無線現場設備與網關的距離在2倍網關有效范圍內，即要求刷新率大于2s的無線設備在網關有效范圍內，能直接與網關通信而無需路由，或在2倍網關有效范圍內，僅需通過1臺中間路由器的路由，一“跳”就可以將數據傳送到網關，以減少數據無線傳輸的跳數，加快數據刷新速度。

1.5 路徑穩定性的規則

刷新率小于2s的控制和高速監視無線現場設備應該比一般的監控設備有較高的路徑穩定性，一般要求60%的路徑穩定性，達到70%可以被推薦用于控制和高速監控。

由于某臺無線設備傳送到網關的數據要求有多條路徑，加之Wireless HART網絡的自組織、自適應功能，實際傳輸的路徑隨時都可能發生變化，如果多條路徑中的某一條是傳輸數據最頻繁的，那么該條路經就是最穩定的。

圖1表示了網絡中有5臺無線現場設備的一個局部，無線現場設備2刷新率小于2s，其傳輸數據到網關的路徑有2—1—3，2—3，2—3—5，2—4，2—4—5等5條。如果經測試5條路徑穩定性的測量值分別為5%，75%，1%，15%，4%，那么路徑2—3的75%路徑穩定性不僅達到一般要求，而且達到了可以被推薦用于控制和高速監控的要求。

圖1 路徑穩定性示意

大多數Wireless HART的供應商提供了安裝后的檢驗方法，當網絡部署后，通過檢驗可以確認是否能保證較高的路徑穩定性。

1.6 最多7“跳”的規則

最多7“跳”是指1臺無線設備借助其他無線設備的路由到達網關時，中間路由次數最多7次。由于無線設備借助某臺無線設備路由的過程俗稱為1“跳”，“跳”的次數太多，傳送數據的滯后時間太長，因而是不可取的。

2 WireIess HART網絡設計規則的突破

上述規則是針對無線數據傳送可靠性要求特別高的場合制訂的，當降低標準用于無線數據傳送可靠性一般的場合，部分規則則是可以“突破”的。

2.1 最少5臺設備的規則

少于5臺Wireless HART無線現場設備的網絡也可以正常工作，附加的規定是網關應該與所有的無線現場設備直接通信，以增加網絡的可靠性。

圖2是一個簡單的設計案例。在工藝配置圖上，網絡針對一個工藝單元，已放置4臺 Wireless HART無線現場設備與1臺網關。圍繞網關的圓代表網關有效范圍。圖2中，在網關的有效范圍內僅有4臺無線現場設備。雖然達不到最少5臺設備的規則要求，但從圖2中可以看出，4臺Wireless HART無線現場設備離圓的邊緣較遠，離網關的距離較近，都可以直接與網關通信，4臺設備可以互為鄰居，因此該網絡仍然可以實現良好的技術特性，對于可靠性和可添加更多的新無線現場設備來說，也是最佳的。

對于大多數Wireless HART網絡來說，30臺或更多的無線現場設備組建的網絡是很強大的。

2.2 3個“鄰居”的規則

3個“鄰居”的規則是要確保每1臺無線現場設備在任何時候能與2臺無線現場設備連接，因而如果能確保與這2臺無線現場設備的連接，實際投運的規則是2個“鄰居”［1］。當無線現場設備是在網絡的外周邊而數據不重要時，1個“鄰居”也可以接受。

圖2 最少5個的規則被“突破”的案例

2.3 百分比的規則

每個Wireless HART網絡應該至少有25%的設備在網關的有效范圍內，當比例低至10%時，Wireless HART網絡也能工作。

當網絡的規模比較小的時候，至少5臺的規則和3個“鄰居”的規則是重點需要考慮的；隨著網絡的規模擴大，至少5臺的規則和3個“鄰居”的規則通常能滿足網絡要求，此時因檢測點數增多，需要考慮百分比的規則；當網絡的規模繼續擴大，在工藝過程空間里有眾多設備，區域面積也擴大了，百分比規則成為占主導地位的規則。

3 強化網絡的措施

當實際網絡滿足不了Wireless HART網絡設計規則時，或者現場測試確定網絡設計中可能存在缺陷時，需采取措施強化Wireless HART網絡，通常采用在網關的有效范圍內添加更多的設備，添加中繼器、移動網關位置，添加另一個網關，添加接入點等方式解決。

3.1 添加更多的無線現場設備

在網關的有效范圍內添加更多的無線現場設備，可以增加無線現場設備的“鄰居”，增加在網關的有效范圍內的設備數量及比例，這是強化網絡最主要、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無線現場網絡和擴大網絡覆蓋區域的一種無線現場設備。添加中繼器的本質是“在網關的有效范圍內添加更多的無線現場設備”，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場設備。而中繼器的功能是強化網絡，可替代另外的具有特定測量用途的Wireless HART設備，可給網絡內任何1臺Wireless HART無線現場設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，提供與更多無線現場設備的直接路由，使有效范圍最大化，從而最大限度地優化網絡［2－3］。

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

3.3 移動網關位置

將網關移動到Wireless HART儀表分布相對更集中的位置，也是強化網絡的一個方法。更多的時候網關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，移動網關，可能與控制系統的有線連接距離稍長，但可以強化網絡。

3.4 添加1個網關

添加1個網關，會增加工藝單元的整體容量，地點在特定現場設備集中的地點安放，能更好地確保長期的、無故障的可擴展性。

在圖2中，原有的Wireless HART網絡僅有畫面中部的4臺無線現場設備和1個網關，后來新增的無線現場設備都位于原有網關的有效范圍外，移動原有網關的位置也達不到規則的要求，因而再添加1個網關，可使網絡的綜合性能大幅提高（遠超過添加1臺中繼器的效果）。

3.5 添加接入點

接入點是負責從無線現場設備網絡接收數據包的設備，是無線現場設備與網關之間的橋梁。如果系統規模很小，網關可以直接連接無線現場設備；當系統規模增大時，往往需要有多個接入點，接入點將眾多的無線現場設備數據采集后送到網關，這種情況下可以提高網絡的有效吞吐量和可靠性。

Wireless HART接入點的一邊與Wireless HART網絡相連，另外一邊是1個外部連接。該外部連接可以是1個以太網、Wi－Fi網絡或1個專有網絡。Wireless HART接入點不能直接與過程控制系統相連，需通過1個Wireless HART網關或上位機實現與控制系統的連接，這是接入點與網關不同的地方。

由于接入點與網關的相比價格較低，僅從強化網絡來說，兩者所起作用基本相同。因此，如果有合適的產品，選用添加接入點的方法更經濟實惠。

4 結束語

Wireless HART流程無線系統的應用已經從試驗走向推廣，直接用戶和設計人員都需要在實際使用過程中積累經驗，也需要通過一些技術資料學習他人的經驗，兩者相互印證，使實際經驗條理化，使得有關流程無線系統網絡的知識進一步深化，促進流程無線系統的進一步發展。

［1］方原柏.Wireless HART無線網絡規劃的現場調查［J］.儀表世界，2013（04）：20－22.

［2］CHEN D，MARK N，MOK A.Wireless HART：面向工業自動化的實時網狀網絡［M］.王泉，王平，韓松，譯.北京：機械工業出版社，2013.

［3］方原柏.工業無線網絡工程設計探討［J］.石油化工自動化，2012，48（02）：6－9.

［4］艾默生.用于過程自動化的無線網絡技術已經成熟［EB／OL］.（2012 －10 －11）［2014 －02 －20］http：／／www.gongkong.com／company／news／20121011.htm.

［5］方原柏.無線 HART技術［J］.儀表世界，2012（04）：40－42.

［6］黃劍龍，王忠鋒，李力剛，等.基于 WIA工業無線網關的設計［J］.化工自動化及儀表，2011，38（10）：1227－1229.

［7］陳小麗.工業無線數據傳輸技術在儲運工程中的應用［J］.石油化工自動化，2013，49（01）：42－46.