淺談如何設計一個穩定的WIA—PA工業無線網絡

摘 要：本文介紹了如何從項目前期，即理論設計階段設計一個穩定的WIA-PA工業無線網絡。WIA-PA是面向工業過程自動化的工業無線網絡技術標準，是中國工業無線聯盟針對過程自動化領域制定的WIA子標準，是基于IEEE802.15.4標準的用于工業過程測量、監視與控制的無線網絡系統。WIA-PA標準先后成為中華人民共和國國家標準和國際電工委員會IEC標準。

關鍵詞：WIA-PA；無線技術；網絡規劃

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）14-0285-01

1 技術背景

近些年，隨著無線技術的發展，市場需求的增強，越來越多的無線產品應用在工業過程生產領域。而無線技術以其特有的技術特點，與傳統的有線技術形成了優勢互補，推動了工業物聯網的建設。

無線技術的優勢在于可以大幅縮減項目的成本、時間和復雜性，可擴展性更強，不受有線的束縛，安裝自由度更高，適應現場環境的能力更強。但相比于傳統的有線技術，很多人對其通信的可靠性提出了質疑，其實只要充分了解無線通信技術的原理，做出合理的網絡規劃和工程實施，就可以保證無線通信的可靠性。

WIA-PA是一種經過實際應用驗證的、適合于復雜工業環境應用的無線通信網絡協議。它在時間上（時分多址TDMA）、頻率上（巧妙的FHSS跳頻機制）和空間上（基于網狀及星型混合網絡拓撲形成的可靠路徑傳輸）的綜合靈活性，使這個相對簡單但又很有效的協議具有嵌入式的自組織和自愈能力，大大降低了安裝的復雜性，確保了無線網絡具有長期而且可預期的性能。

2 適合的應用范圍

建立一個穩定的無線通信網絡，首先要根據無線技術的特點，從項目成本，施工維護，后期擴展等方面，明確哪些項目適合應用無線技術，哪些問題適合用無線技術解決。一般地，無線技術最適合應用在過程監測系統中。從保守角度考慮，不推薦應用于控制系統。因為控制系統對控制的響應時間要求較高，一般都要求在1s以內，而無線網絡受網絡容量、電池壽命等多方面限制，響應時間一般都在1s以上。

3 合理的網絡規劃

一旦確定了項目將要使用無線設備，即可開始無線網絡設計。

WIA-PA無線網絡一般分為3級網絡架構，分別為網關、路由、節點。小規模的無線網絡，也可省去路由，變為2級網絡架構。無線網絡拓撲結構為Mesh和星型相結合。

網關是整個無線網絡的核心，負責管理該網關下的所有無線設備，并將無線信號轉換成有線信號。路由是無線網絡的中繼站，現場應用中可靈活布放安裝，有效的躲避障礙物，拓展無線網絡規模，冗余無線通信路徑。節點是基礎信息的收集器，通過傳感器采集需要的參數信息，將其轉化成無線信號。

（1）應按照工藝單元選出測試點，確定每個工藝單元需要多少個測試點。網關應按工藝單元來布局，或者根據子工藝單元來布局。設備分布情況可用于確定所需網關的數量。

（2）根據網絡中的最快數據刷新頻率來確定網關容量。

（3）根據技術規范或項目其他需求，可增加網關數量來確保備用的網絡容量。

無線網絡的布局，應該以網關為核心點，網關下的子節點以網關為中心布局部署。這樣可以保證節點到網關的跳數最少，網絡拓撲更加健壯。

網關一般部署在工藝單位監控室樓頂，這里可以為網關提供電源和必要的數據接口，使網關更加方便的接入有線系統。

4 有效的傳輸距離

無線網絡的傳輸距離與無線頻率、環境障礙物、天線增益、天線角度、其他干擾等因素有關。這里的有效距離是指無線現場設備在工藝環境中兩臺設備間的直線距離。一般情況下，如果設備之間沒有障礙，清晰可見，安裝高度距地面2～10m時，兩臺設備間的有效距離為500m以上。無線網絡為自組織網格網絡，經過兩次信號跳躍傳輸后（即一臺設備發出的通信信號通過第二臺設備進行發送才到達網關），因此有效距離可達到1000m。障礙物將減小設備有效距離。大部分過程環境中都有密集的金屬管線，會反射一部分射頻信號，因而減弱無線信號。下面為三種情況下的有效距離：

重度障礙：50m。這是典型的高密度廠區環境。卡車或類似設備不能駕駛穿過。

中等障礙：100m。這是障礙稍微少一些的過程區域，設備和基礎設施之間有大量空間。

輕度障礙：300m。典型的在油庫環境重。雖然油庫本身就是障礙物，但儲罐之間和上方的巨大空間比較有利于信號的傳輸。

設備可視：500m。設備之間沒有任何障礙，設備安裝在距離地面或障礙物至少2m的地方。

5 網絡拓撲

WIA-PA無線網絡拓撲結構為MESH、星型、MESH和星型相結合。規格網絡拓撲時應注意以下原則：

在設備有效距離范圍內，每臺WIA-PA設備周邊應配備至少3個設備鄰居。這樣可確保網絡工作時至少有兩條通信線路，并且隨時可更能更換通信路徑。

每個多余5臺設備的WIA-PA網絡，至少應有25%的設備處于網關的有效距離范圍內，以確保足夠的帶寬并消除瓶頸點。實際上，即使只有10%的設備處于網關有效距離內，WIA-PA網絡也可以工作，但實際的網絡性能會受到影響。實踐經驗得出25%是比較合理的比例。比如，一個擁有100臺設備的網絡，需要有25臺設備處于網關的有效距離范圍內。

路由的合理應用，可以擴展網絡拓撲結構，增加通信的冗余路徑，保證網絡結構的健壯性。同時靈活的安裝，可以使原來兩個受遮擋的節點，通過路由中轉，實現可靠的通信。

6 備用容量和擴展

在有線采集的項目中，一般需要提供備用硬件（編組、I/O卡和終端等）和備用空間。備用容量一般介于20～30%。在無線網絡設計中，這個情況有所不同，原因是不存在柜體編組、I/O卡或終端。可以通過增加網關來增加網絡容量。

7 網絡強化

建議通過改變設備的有效范圍對網絡設計進行強度測試，以確定網絡的潛在安全漏洞。進行強度測試時，可將設備的有效距離降低10%。例如，假設初始設計的設備有效范圍為100m，現將有效范圍減少10m，以便發現網絡存在的薄弱環節。在這一點上，由網絡設計人員來確定施加強度的程度和強度遞減的極限。

8 結束語

工業無線網關隨著技術的不斷進步，正在逐步地走向成熟穩定，以其獨有的特點被越來越多的用戶所接受。應用時只有初步掌握其特性，按照以上方法設計，不盲目施工，就能夠得到一個穩定的WIA-PA無線網絡。

參考文獻

[1]《工業無線網絡WIA規范第1部分：用于過程自動化的WIA系統結構與通信規范》.

[2]中科奧維公司《WIA-PA_系統工程指南》.

收稿日期：2018-4-14