WirelessHART基礎無線網絡設計

方原柏

WirelessHART(無線HART)標準是專為過程監視和控制等工業環境應用所設計的無線傳感器網絡標準，國際電工標準委員會(IEC)2008年9月19日正式認可WirelessHART通信規范(HART7.1)為公共可用的規范后，又于2010年4月12日全票表決通過WirelessHART通信規范成為工業過程測量和控制領域的首個無線國際標準(IEC62591Ed.1.0)。

為了更好地理解WirelessHART無線網絡，本文從基礎WirelessHART無線網絡開始介紹，因為大規模的WirelessHART無線網絡是由多個基礎的WirelessHART無線網絡組成。而且在基礎的WirelessHART無線網絡之后，往往是采用有線的方式與控制系統相連，與以往現場I/O與控制系統相連的方式相似，所以基礎的WirelessHART無線網絡是完成WirelessHART無線網絡設計的關鍵。

1 基礎WirelessHART無線網絡

基礎WirelessHART無線網絡構成中，其必不可少的設備是無線網關和無線現場設備。無線現場設備一般分為兩類，一類是無線變送器，另一類是有線HART變送器加適配器，適配器的功能是將有線HART變送器的信號轉換成無線信號傳輸，使兩者合成為1臺無線現場設備。當一部分現場設備距離網關很遠或受障礙物遮擋無線信號無法直接被網關接收時，可增加中繼器等設備強化無線信號傳輸。

2 基礎WirelessHART無線網絡工程設計

2.1 網絡的覆蓋區域

網絡的覆蓋區域取決于網關容量、現場無線設備數量、無線設備刷新率、現場障礙物分類等因素。

大部分網關的容量約為100臺無線現場設備，但需要仔細查看產品說明書。

如艾默生過程管理公司的1420型智能無線網關說明書中，給出了單一網絡最大規模與無線設備刷新率的相關數據： 刷新率為8 s時，可接100臺無線現場設備；刷新率為4 s時，可接50臺無線現場設備；刷新率為2 s時，可接25臺無線現場設備；刷新率為1 s時，可接 12臺無線現場設備。

在大部分情況下，用戶在綜合快速采樣和電池工作時間后，通常會考慮選用無線現場設備刷新率平均值為8 s或更長時間，因此，單一網絡最大規模可為100臺無線現場設備。

但是考慮到無線網絡增添檢測點及部分檢測點可能要求更改為更快刷新率的可能性，設計時可選網關的負載率為50%。如果網絡中絕大多數無線現場設備的刷新率為8 s或更長時間，則可將網絡的覆蓋區域限制在20～50臺無線現場設備的區域內。

網絡的覆蓋區域如果按傳輸距離來考慮，由于在視準線無障礙條件下的最大傳輸距離為230 m，可將適合的覆蓋區域限制在200 m×200 m的范圍內，這可能是一個工廠大部分工序的覆蓋范圍。但如果障礙物較多，這個區域的面積還應該縮小。

2.2 網絡的設備選型

最基本的必選設備是網關和無線現場設備，可選設備是中繼器。可根據用戶的需求首先選擇網關，如網絡規模小且今后擴展可能性不大時，可選1410A型智能無線網關，網絡規模在20～50臺無線現場設備可選1420型智能無線網關，如果直接與DeltaV S系列DCS連接，可選DeltaV WIOC型無線網關。

無線現場設備則根據用戶所需參數選擇，比如壓力、溫度、流量、物位、分析、振動、腐蝕、聲波傳感器等，其中溫度傳感器有單點及4點之分。如果某個參數目前還沒有無線變送器供貨，也可選用HART適配器加變送器，將4～20 mA信號轉換成無線信號。

如果覆蓋區域內障礙物較多或個別信號測點距離網關較遠，通常應選中繼器，它可以加強無線現場網絡、擴大網絡覆蓋區域。由于事先很難確定測點具體位置及信號實際傳送情況，也可事先考慮少量中繼器作為備用設備，作為臨時應急的“輔助”工具，當現場測試出現信號變差、傳輸達不到要求時可臨時增加中繼器。由于適配器可選帶安裝附件的分離式安裝，所以在遠離無線現場設備的地方可安裝，例如油罐區液位測量選用有線HART雷達液位變送器時，通過安裝附件可使適配器安裝在遠離液位變送器的儲罐頂部之上的最佳通信位置，然后借助適配器的路由功能實現附近無線現場設備信號的中繼器轉發。

2.3 與控制系統集成

1420型智能無線網關和主機控制系統有多種通信協議的接口，如Modbus， TCP/IP， OPC， EtherNet/IP， HART-IP，以太網等。與DeltaV系統或Ovation系統的集成可以選擇Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是S系列，則可選DeltaV WIOC網關，可以直接配置在DeltaV系統的控制網絡上。

2.4 無線現場設備供電

無線現場設備最簡單的供電方式是采用鋰電池供電，對于刷新率為4 s，2 s，1 s的無線現場設備，電池壽命僅為1～3 a，而現階段更換電池的費用常常會超出人們預期。所以無線設備供電方式應在設計階段認真考慮。比如在無線現場設備安裝地點附近具備220 V(AC)的場合，可考慮將24 V電源箱接入220 V(AC)電源，向就近的無線現場設備有線供電，還可以考慮采用太陽能電池供電。

3 工程圖紙的圖形符號

3.1 總體說明

對WirelessHART無線網絡來說，工程圖紙設計有以下特點：

1)因采用了無線技術，工程設計中在WirelessHART無線系統部分通常不再繪制接線圖、接線柜接線圖、電纜表、電纜及橋架敷設圖等，因此圖紙工作量大幅減少。

2)儀表的圖形符號基本沒有變化，不管儀表的種類是FF，有線HART還是WirelessHART，圖形符號表示基本一致。

3)按美國國家標準ANSI/ISA-5.1： 2009規定[1]，WirelessHART傳輸線的形式是鋸齒波形而不是破折號。

3.2 不同設備廠商圖形符號對比

在國外廠商的資料中，圖形符號的一些細節還是有差別的。

3.2.1艾默生過程管理公司

艾默生過程管理公司無線設備產品圖形圖例符號執行的是IEC62591中相關規定，該公司無線設備產品圖形圖例如圖1所示。在資料IEC 62591WirelessHARTsystemengineeringguide[2]中，給出涉及無線HART系統設備的符號及圖例如圖1a)，1b)所示；但在WirelessHART傳輸線的形式由鋸齒波形改為加箭頭的鋸齒波形，而代表無線網關的圖形由正方形改為長方形，代表無線現場設備的圖形由圓形改為橢圓形，如圖1c)，1d)所示。

圖1 無線設備產品圖形圖例符號示意

3.2.2Pepperl+Fuchs公司

Pepperl+Fuchs公司按IEC 62424： 2016[3]Representationofprocesscontrolengineering-requestsindiagramsanddataexchangebetweenP&IDtoolsandPCE-CAEtools中儀表符號的要求，無線設備圖形符號如圖2所示。以圖2中適配器為例，設備TT1945是1臺有線HART變送器，設備YA1945是適配器，所以鋸齒波符號標注在適配器YA1945的右上方。

圖2 無線設備圖形符號示意

如果需要將無線設備連接到帶外部接線的儀表、電源或有線現場設備上，則安裝圖例符號如圖3所示。

圖3 無線設備連接到帶外部接線圖例符號示意

3.2.3Endress+Hauser公司

Endress+Hauser公司的圖形符號與上述2家公司稍有區別。以2個斷開的帶正弦波符號表示無線傳輸，而網關和無線現場設備的圖形符號均為正六邊形，如圖4所示。

圖4 Endress+Hauser公司圖形圖例示意

4 結束語

Wireless HART無線網絡實際應用時可能是一個小規模的Wireless HART無線網絡，也可能是由多個小規模的Wireless HART無線網絡組合構成大規模的Wireless HART無線網絡。因此完成一個小規模的Wireless HART無線網絡工程設計，對于大規模的Wireless HART無線網絡建設具有重要意義。