《工業(yè)無線通信系統(tǒng)應(yīng)用注意事項(xiàng)》介紹用戶采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)應(yīng)考慮選用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、使用現(xiàn)場(chǎng)情況、應(yīng)用類型、信號(hào)類型、基本設(shè)備類型、采集點(diǎn)數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)的障礙物及分布情況、傳輸距離、刷新率和無線網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的連接這10個(gè)問題。
文章內(nèi)容接工業(yè)無線通信系統(tǒng)應(yīng)用注意事項(xiàng)連載二，是《工業(yè)無線通信系統(tǒng)應(yīng)用注意事項(xiàng)》最后一部分內(nèi)容。
⑥采集點(diǎn)數(shù)
用戶采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的規(guī)模大致由采集點(diǎn)數(shù)確定，目前以數(shù)十點(diǎn)居多，可稱為小型系統(tǒng)，超過100點(diǎn)到500點(diǎn)之間的可稱為中型系統(tǒng)，再多點(diǎn)數(shù)的可稱為大型系統(tǒng)。
小型系統(tǒng)的構(gòu)成往往比較簡(jiǎn)單，絕大多數(shù)只是由無線網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備兩類設(shè)備組成，多臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，先由無線網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)后，再通過有線方式將采集信息傳送到控制系統(tǒng)。
為了適應(yīng)較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，一種方式是采用多個(gè)小型現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)平行接入控制系統(tǒng)(見圖1)，另一種方式是采用多個(gè)接入點(diǎn)將大中型現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)劃分為幾個(gè)小型現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)(見圖2)。
圖1 平行接入控制系統(tǒng)的小型現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)
圖2 采用多個(gè)接入點(diǎn)的大中型現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)
圖2中，接入點(diǎn)分為2 類: 網(wǎng)格接入點(diǎn)MAP和根接入點(diǎn)RAP，網(wǎng)格接入點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)有線連接，用于采集該網(wǎng)關(guān)所連接無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，多個(gè)網(wǎng)格接入點(diǎn)又以無線Wi-Fi方式將多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳送到根接入點(diǎn)，根接入點(diǎn)以有線方式通過管理型交換機(jī)與控制系統(tǒng)連接。
接入點(diǎn)有2種工作方式: 一是在在無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間增加接入點(diǎn)設(shè)備，負(fù)責(zé)從無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)包并上傳給網(wǎng)關(guān)或下發(fā)來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，在無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間起橋梁作用，此時(shí)接入點(diǎn)以無線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一(如WirelessHART、ISA100.11a或WIA-PA)，通過無線通信接收無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息，然后以這種無線通信標(biāo)準(zhǔn)或無線Wi-Fi方式將采集到的信息傳送到網(wǎng)關(guān)；二是在在網(wǎng)關(guān)(或接入點(diǎn))與控制系統(tǒng)之間增加接入點(diǎn)設(shè)備，負(fù)責(zé)從網(wǎng)關(guān)(或接入點(diǎn))接收現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并上傳給控制系統(tǒng)或下發(fā)來自控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)(或接入點(diǎn))與控制系統(tǒng)之間起橋梁作用，與網(wǎng)關(guān)的連接可采用有線方式，與接入點(diǎn)則多為無線Wi-Fi方式(見圖2)。多個(gè)接入點(diǎn)的加入可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效吞吐量和可靠性，特別適用于要求更快刷新率、更高性能的網(wǎng)絡(luò)。
⑦現(xiàn)場(chǎng)的障礙物及分布情況
用戶要對(duì)采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)障礙物情況作調(diào)查。工藝裝置使用現(xiàn)場(chǎng)按障礙物的多少和分布情況通常可分為4類。
◆無障礙
沒有障礙物，視線清晰，設(shè)備的天線都安裝在障礙物之上，地形變化的角度很小(通常小于5°)。
◆少障礙
有一些基礎(chǔ)設(shè)施，但仍有開放的區(qū)域，在這類區(qū)域里，可以從一個(gè)設(shè)備看到多個(gè)其他設(shè)備，罐區(qū)是典型的例子，盡管槽罐本身是個(gè)大障礙物，但在大量槽罐之間及上方，有良好的射頻傳播空間。
◆中障礙
稠密的環(huán)境中仍然有相當(dāng)大的區(qū)域沒有障礙物，如一輛卡車可以通過。
◆多障礙
從一個(gè)設(shè)備看不到其他設(shè)備，區(qū)域有很密集的設(shè)備、管道和建筑物，不可能駕駛卡車或讓尺寸較大的設(shè)備通過。
圖3非常形象地顯示了使用現(xiàn)場(chǎng)按障礙物的分類，可以用經(jīng)驗(yàn)判斷實(shí)際操作區(qū)域大致屬于障礙物中的哪一類，在了解無線通信的有效距離后，根據(jù)分類情況決定是否需要增加一些改善通信功能的輔助設(shè)備。
圖3 工藝裝置操作區(qū)域按障礙物分類
在垂直方向(即不同標(biāo)高的位置)上，環(huán)境中障礙物的密度可能不同甚至相差較大，例如，在樓面附近因布置了大量設(shè)備而使障礙物的密度非常高，但離樓面超過一定高度后障礙物的密度變低甚至沒有障礙物。昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院在內(nèi)蒙呼倫貝爾馳宏礦業(yè)有限公司14萬t/a氧壓浸出系統(tǒng)工程中采用了Wireless HART無線通信技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)所有無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都安裝在室內(nèi)6m操作平臺(tái)上，該操作平臺(tái)凈高約10m，由于槽、罐、泵等絕大多數(shù)工藝設(shè)備和管道都安裝在平臺(tái)樓板上方1-3m高度上，在這一高度上障礙物很多，按分類至少應(yīng)歸于多障礙區(qū)域。為了改善通信條件，讓無線網(wǎng)關(guān)盡可能與每一臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在直視范圍內(nèi)無障礙通信，把無線網(wǎng)關(guān)安裝在中心區(qū)域樓板上方6m的高度上，無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也安裝在相對(duì)高一點(diǎn)的位置上(見圖4)，由于無線網(wǎng)關(guān)與無線儀表或無線儀表與無線儀表之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信距離不超過230m，因此在DCS顯示畫面上看到無線設(shè)備在進(jìn)行通信傳輸時(shí)從未丟失過數(shù)據(jù)，所顯示的信號(hào)強(qiáng)度RSSI均大于-51db，遠(yuǎn)高于正常傳輸數(shù)據(jù)的指標(biāo)－75db，所以現(xiàn)場(chǎng)無線傳輸?shù)男盘?hào)非常好。
圖4 在高密度設(shè)備上方安裝的多點(diǎn)無線溫度變送器和無線網(wǎng)關(guān)(小圖所示)
⑧傳輸距離
工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的信號(hào)傳輸距離取決于所采用的通信標(biāo)準(zhǔn)、天線型式、無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的發(fā)射功率、網(wǎng)關(guān)與無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間障礙物的狀況。一般來說，在無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的發(fā)射功率為10mW，且內(nèi)部天線、網(wǎng)關(guān)與無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間無障礙物的條件下，傳輸距離約200-500m(WirelessHART為230m，ISA100.11a為500m)。對(duì)于少障礙、中障礙、多障礙的情況，以WirelessHART為例，傳輸距離將從無障礙的230m減小到150、75、30m。通常可以采用增加路由器、中繼器等方法或?qū)o線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)置為有路由功能的設(shè)備，通過轉(zhuǎn)接方式將無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)傳送到網(wǎng)關(guān)，以延長(zhǎng)傳輸距離。特殊情況下，還可以采用外接天線的方法延長(zhǎng)傳輸距離。
⑨刷新率
刷新率是指無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)測(cè)量值并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送測(cè)量值的時(shí)間間隔，即在接收端接收到的信息更新一次所需時(shí)間。現(xiàn)階段無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的刷新率一般有1、2、4、8、16、32(或30)s和1-60min可選，未來將有0.2、0.5s的選擇。
無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多采用鋰電池供電，其使用壽命一般可達(dá)1-10年，壽命的長(zhǎng)短取決于無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類、刷新率和是否承擔(dān)路由功能。由于電源模塊一般不能從市場(chǎng)采購(gòu)，而由廠家供貨的電源模塊備件價(jià)格昂貴，所以應(yīng)考慮使電源模塊使用壽命至少達(dá)到5年，這樣刷新率應(yīng)設(shè)置為30s或更長(zhǎng)。
刷新率選擇要點(diǎn)如下:
◆典型的安全和控制應(yīng)用無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的
刷新率可能需要1s或更快，刷新率要比監(jiān)測(cè)閉環(huán)控制和某些類型監(jiān)督控制過程的時(shí)間常數(shù)快4-10倍。
◆用于監(jiān)測(cè)和開環(huán)控制應(yīng)用無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的刷新率要比過程時(shí)間常數(shù)快3-4倍，如溫度變送器采用帶保護(hù)套管的熱電偶，熱量穿透保護(hù)
套管讓測(cè)量溫度變化可能需要16s或更長(zhǎng)的時(shí)間，過程時(shí)間常數(shù)可能超過60s或更長(zhǎng)，盲目選擇8s或更快的刷新率就完全沒有必要。
◆刷新率超過4s對(duì)接入一個(gè)網(wǎng)關(guān)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的總數(shù)影響較大，設(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)特別慎重。以WirelessHART無線網(wǎng)關(guān)為例，名義上可接入 100臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但當(dāng)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均選用4s刷新率時(shí)，其接入無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的容量將降為25臺(tái)。
◆無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備刷新率和電池壽命之間有一個(gè)權(quán)衡，更快的刷新率將導(dǎo)致較短的電池壽命，每臺(tái)設(shè)備應(yīng)該有一個(gè)合適的刷新率，以支持電池使用的長(zhǎng)壽命，從而降低維護(hù)量。以WirelessHART 848T無線多點(diǎn)溫度變送器為例，當(dāng)刷新率為4s時(shí)，其電源模塊壽命僅0.7年，而當(dāng)刷新率為60s時(shí)，其電源模塊壽命可達(dá)到6.3年。如果無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是外部供電或有太陽能供電之類的能量采集設(shè)備，或者電池的壽命不是用戶的關(guān)注點(diǎn)，那么可以考慮更快的刷新率。
⑩無線網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的連接
如前所述，無線網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)最終連接時(shí)，可以通過Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太網(wǎng)等有線方式連接，前面已經(jīng)介紹了可以通過現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，也可以通過根接入點(diǎn)與控制系統(tǒng)連接。一些主流廠家的控制系統(tǒng)提供了系統(tǒng)內(nèi)部連接的無線I/O卡，可以像設(shè)置普通I/O卡一樣設(shè)置無線I/O卡，這樣的控制系統(tǒng)可直接通過無線 I/O 卡接入現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的所有信息。在艾默生過程管理公司的DeltaV 控制系統(tǒng)里，從DeltaV11版開始，提供了DeltaV S系列無線I/O卡和781無線遠(yuǎn)程鏈路組成的完全冗余的WirelessHART解決方案(見圖5)，可與所有的DeltaV和AMS的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)集成。
圖5 WirelessHART工業(yè)無線通信系統(tǒng)通過DeltaV控制系統(tǒng)的本地節(jié)點(diǎn)集成
圖5 WirelessHART工業(yè)無線通信系統(tǒng)通過DeltaV控制系統(tǒng)的本地節(jié)點(diǎn)集成以上總結(jié)的采用工業(yè)無線通信系統(tǒng)之前要考慮的10件事，并無先后、主次之分，對(duì)初步使用工業(yè)無線通信系統(tǒng)的用戶，如果事先考慮過這些事項(xiàng)，就可有所準(zhǔn)備，也便于與設(shè)計(jì)、供貨、安裝等單位技術(shù)人員交流。應(yīng)用中也許還有10件事以外的問題，但相對(duì)次要，可在系統(tǒng)實(shí)施過程中邊干邊學(xué)。
作者：方原柏，湖北黃岡人，昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師，昆明儀器儀表學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，冶金自動(dòng)化、衡器、自動(dòng)化信息等雜志編委
