當前位置：歐亞貿(mào)易網(wǎng) > 技術(shù)中心 > 所有分類

WirelessHART網(wǎng)絡設計規(guī)則

2023年01月28日 11:14:29 來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺閱讀量：22

昌暉儀表首先敘述了WirelessHART流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡的設計規(guī)則，然后介紹了可以針對生產(chǎn)現(xiàn)場的具體情況突破這些規(guī)則，最后列舉了當實際WirelessHART網(wǎng)絡滿足不了設計規(guī)則時，強化WirelessHART網(wǎng)絡的幾條措施。

1、概述
WirelessHART流程無線系統(tǒng)的應用越來越廣泛，直接用戶和設計院都有深入了解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)絡設計的要求令人非常關(guān)注。
在WirelessHART流程無線系統(tǒng)網(wǎng)絡的資料中，曾多次涉及到網(wǎng)絡的設計規(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？最后介紹了為達到規(guī)則要求強化網(wǎng)絡的幾條措施。

2、WirelessHART網(wǎng)絡設計規(guī)則
2.1 最少5臺設備的規(guī)則
每個WirelessHART網(wǎng)絡在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)應該至少有5臺WirelessHART現(xiàn)場設備。每個WirelessHART網(wǎng)絡至少5臺 WirelessHART現(xiàn)場設備，這樣在正常工作時，由于每臺 WirelessHART現(xiàn)場設備同時也是路由器，可以為網(wǎng)絡內(nèi)其他現(xiàn)場設備路由，即可充分發(fā)揮WirelessHART網(wǎng)絡內(nèi)在的冗余功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡可靠的工作。當新的WirelessHART設備需要添加到網(wǎng)絡中時，可通過現(xiàn)有的至少5臺WirelessHART現(xiàn)場設備的路由加入。
一些WirelessHART設備生產(chǎn)廠推出智能無線現(xiàn)場啟動包，發(fā)貨時智能無線現(xiàn)場啟動包已預先組態(tài)，開箱即可搭建一個安全的、堅固的自組織網(wǎng)絡。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)更大范圍的無線應用奠定基礎。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)絡現(xiàn)場設備在有效范圍內(nèi)應該最少有3個鄰居（鄰居即相鄰設備的俗稱），在現(xiàn)場設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)目煽啃裕f一某些移動設備對無線現(xiàn)場設備的傳輸路徑形成障礙，那至少還有2臺相鄰的設備可以提供傳輸路徑。所以設計時“3個鄰居的規(guī)則”可確保設備相對集中，相互間傳輸路徑通暢，以保證路徑的冗余性和多樣性。
當無線現(xiàn)場設備只有一個鄰居時，如因為某種原因與這個的鄰居通信斷開時，這臺無線現(xiàn)場設備的通信即中斷，這是不允許的。為了構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡的冗余路徑，每個設備必須有兩個相鄰設備。如果一個相鄰設備故障，第二個相鄰設備接管并提供WirelessHART網(wǎng)絡連接。但是一個真正*的網(wǎng)狀網(wǎng)絡的實踐是檢查每個設備有三個鄰居，由于在兩臺鄰居故障時仍然提供網(wǎng)絡連接，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)絡應該至少有25％的現(xiàn)場設備在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)，以確保適當?shù)膸挷⑾y點，例如，一個100臺設備的網(wǎng)絡意味著有25臺在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)。如果網(wǎng)絡中20％的無線設備刷新率快于2s，應該在網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)的現(xiàn)場設備從25％增加至50％。
無線現(xiàn)場設備在網(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20％的無線設備刷新率快于2s的網(wǎng)絡，出于加快數(shù)據(jù)刷新速度、降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟淮_定性時延及安全風險、提高可靠性的目的，應該將在網(wǎng)關(guān)有效范圍內(nèi)的設備數(shù)量的百分比增加是理所當然的。
這里網(wǎng)關(guān)有效范圍指的是在WirelessHART網(wǎng)關(guān)與無線現(xiàn)場設備之間信號傳輸良好時的直線距離，當然，如果無線現(xiàn)場設備之間相互路由，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備通過。
? 中等障礙—76m，這是中等密度的工廠環(huán)境，在設備和基礎設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用提供了選項和技術(shù)。

2.4 距離的規(guī)則
刷新率超過2s的無線設備與網(wǎng)關(guān)的距離應該在網(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)視和控制應用提供了的響應速度。
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)場設備（包括20％或更多的刷新率快于2s的無線設備和其余刷新率較低的無線設備），本條規(guī)定則只對刷新率快于2s的無線設備做了規(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)場設備應該比一般的監(jiān)控設備有較高的路徑穩(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)絡的自組織、自適應功能，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)就是的。
圖1表示了網(wǎng)絡中有5臺無線現(xiàn)場設備的一個局部，無線現(xiàn)場設備2 刷新率低于2s，其傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)（左下方設備）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)定性不僅達到一般要求，而且達到了可以被推薦用于控制和高速監(jiān)控的要求。
WirelessHART路徑穩(wěn)定性示意圖

圖1 路徑穩(wěn)定性示意圖

大多數(shù)WirelessHART的供應商提供安裝后的檢驗手段，當網(wǎng)絡部署后，通過檢驗可以確認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備借助其他無線設備的路由到達網(wǎng)關(guān)時，中間路由次數(shù)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(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)絡設計規(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，當降低一點標準用于無線數(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臺設備的規(guī)則
少于5臺 WirelessHART設備的網(wǎng)絡也可以正常工作，附加的規(guī)定是網(wǎng)關(guān)應該與所有的無線現(xiàn)場設備直接通信，以增加網(wǎng)絡的可靠性[2]。
如圖2是一個簡單的設計實例。在工藝配置圖上，網(wǎng)絡是針對一個工藝單元，已放置4 臺WirelessHART無線現(xiàn)場設備與網(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臺設備。雖然達不到最少5臺設備的規(guī)則的要求，但從圖上看，4 臺WirelessHART無線現(xiàn)場設備離圓圈的邊緣較遠，離網(wǎng)關(guān)的距離較近，都可以直接與網(wǎng)關(guān)通信，這4臺設備可以互為鄰居，所以這個網(wǎng)絡仍然可以實現(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)場設備來說，它也是的。
WirelessHART最少5個的規(guī)則被“突破”的實例

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)絡來說，30臺或更多的無線現(xiàn)場設備組建的網(wǎng)絡是很*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)場設備在任何時候能與2臺無線現(xiàn)場設備連接，因此，如果能確保與這2臺無線現(xiàn)場設備的連接，實際投運的規(guī)則是2個鄰居[3]。當無線現(xiàn)場設備是在網(wǎng)絡的外周邊而數(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)絡應該至少有25％的設備在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)，這一比例低至10％，WirelessHART網(wǎng)絡也能工作。
當網(wǎng)絡的規(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)絡的規(guī)模擴大，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；當網(wǎng)絡的規(guī)模繼續(xù)擴大，在工藝過程空間里有眾多設備，區(qū)域面積也擴大了，百分比規(guī)則成為占主導地位的規(guī)則。

4、強化網(wǎng)絡的措施
當實際WirelessHART網(wǎng)絡滿足不了WirelessHART網(wǎng)絡設計規(guī)則時，或者在現(xiàn)場進行測試確定網(wǎng)絡設計中可能存在缺陷時，需采取措施強化WirelessHART網(wǎng)絡，通常可以采用在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)添加更多的設備、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)場設備
在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)添加更多的無線現(xiàn)場設備，無疑可以增加無線現(xiàn)場設備的鄰居，增加在網(wǎng)關(guān)的有效范圍內(nèi)的設備數(shù)量及比例，是強化網(wǎng)絡最主要、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)絡的，或者是擴大網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的一種無線現(xiàn)場設備。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)場設備。而中繼器的功能只是強化網(wǎng)絡，他替代另外的具有特定測量用途的WirelessHART設備，可以使網(wǎng)絡內(nèi)任何一臺WirelessHART設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)場設備的直接路由，可使有效范圍，限度地優(yōu)化網(wǎng)絡（見圖3）。

圖3 安裝在高處的中繼器

但是在很多WirelessHART設備供貨廠家的產(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)場設備集中的地點安放，能更好地確保長期的、的可擴展性。
在圖4中，原有的WirelessHART網(wǎng)絡僅有畫面中部的5臺無線現(xiàn)場設備和一個網(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)的位置也達不到規(guī)則的要求，后添加了另一個網(wǎng)關(guān)，使網(wǎng)絡的綜合性能大大提高（遠遠超過添加一臺中繼器的效果）。比當網(wǎng)絡的百分比的規(guī)則、距離的規(guī)則、最多7“跳”的規(guī)則等原有網(wǎng)關(guān)達不到要求時，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
接入點是負責從無線現(xiàn)場設備網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)包的設備，起無線現(xiàn)場設備與網(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)場設備；當系統(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)絡的有效吞吐量和可靠性。
WirelessHART接入點的一邊與WirelessHART網(wǎng)絡相連，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)絡或一個專有網(wǎng)絡。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)濟實惠。
作者：方原柏，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學會副理事長，冶金自動化、衡器、自動化信息等雜志編委

上一篇：手持式光譜儀哪個牌子好？

下一篇：不銹鋼冷卻塔廠家談談選擇冷卻塔填料時應考慮哪幾方面?(加厚玻璃鋼冷卻塔填料哪家質(zhì)量好)

版權(quán)與免責聲明：
1.凡本網(wǎng)注明"來源：歐亞貿(mào)易網(wǎng)"的所有作品，版權(quán)均屬于歐亞貿(mào)易網(wǎng)，轉(zhuǎn)載請必須注明歐亞貿(mào)易網(wǎng)。違反者本網(wǎng)將追究相關(guān)法律責任。
2.企業(yè)發(fā)布的公司新聞、技術(shù)文章、資料下載等內(nèi)容，如涉及侵權(quán)、違規(guī)遭投訴的，一律由發(fā)布企業(yè)自行承擔責任，本網(wǎng)有權(quán)刪除內(nèi)容并追溯責任。
3.本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其它來源的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點或證實其內(nèi)容的真實性，不承擔此類作品侵權(quán)行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時，必須保留本網(wǎng)注明的作品來源，并自負版權(quán)等法律責任。 4.如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系。