1、概述
WirelessHART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WirelessHART流程無線系統的迫切愿望，其中對WirelessHART流程無線系統網絡設計的要求令人非常關注。
在WirelessHART流程無線系統網絡的資料中，曾多次涉及到網絡的設計規則，這些規則雖然大處相同，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 62591 WirelesSHART® System Engineering Guide (Revision 3.0)， WirelesSHART系統工程指南”中推薦了4條基本的設計規則，本文以此為主要內容，又結合另一些資料，增加到6條。首先敘述這6條規則，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？最后介紹了為達到規則要求強化網絡的幾條措施。
2、WirelessHART網絡設計規則
2.1 最少5臺設備的規則
每個WirelessHART網絡在網關的有效范圍內應該至少有5臺WirelessHART現場設備。每個WirelessHART網絡至少5臺WirelessHART現場設備，這樣在正常工作時，由于每臺WirelessHART現場設備同時也是路由器，可以為網絡內其他現場設備路由，即可充分發揮WirelessHART網絡內在的冗余功能，實現網絡可靠的工作。當新的WirelessHART設備需要添加到網絡中時，可通過現有的至少5臺WirelessHART現場設備的路由加入。
一些WirelessHART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已預先組態，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，使用戶能夠快速而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。這些智能無線現場啟動包的點數不多，但均要求至少5臺或5臺以上WirelessHART現場設備，如艾默生過程管理公司為用戶推出的智能無線現場啟動包和ABB公司的FieldKey入門套件，就是為了滿足本規則的要求。
2.2 3個鄰居的規則
每個WirelessHART網絡現場設備在有效范圍內應該最少有3個鄰居(鄰居即相鄰設備的俗稱)，在現場設備互連的情況隨時間有可能發生變化時，這可確保將至少有2臺能連接。這是冗余理論的一個應用，在實際生產現場條件多變的情況下，為了保證數據傳輸的可靠性，萬一某些移動設備對無線現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。
當無線現場設備只有一個鄰居時，如因為某種原因與這個唯一的鄰居通信斷開時，這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網絡連接。但是一個真正強大的網狀網絡的最佳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絡連接，這給出了一個特別高的冗余級別。
2.3 百分比的規則
每個WirelessHART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，一個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％的無線設備刷新率快于2s，應該在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，優點是減少數據無線傳輸的跳數(跳數指的是從數據源經過中間路由器的傳遞到達網關過程中中間路由器的個數，如經過4個中間路由器，則可稱跳數為4)，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的網絡，出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，應該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WirelessHART網關與無線現場設備之間信號傳輸良好時的直線距離，當然，如果無線現場設備之間相互路由，其有效范圍同網關有效范圍是相同的。通常情況下，如果WirelessHART網關與WirelessHART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。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，障礙物使網關有效范圍減少。下面是在工藝過程環境中網關有效距離的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境，槽罐區是典型，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。
2.4 最大距離的規則
刷新率超過2s的無線設備與網關的距離應該在網關2倍有效范圍內，這一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。
這一條與上一條的規則有部分相似，但上一條規定的是全部無線現場設備(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)，本條規定則只對刷新率快于2s的無線設備做了規定，要求他們與網關的距離在2倍網關有效范圍內。也就是說，要求刷新率快于2s的無線設備要么在網關有效范圍內，能直接與網關通信而無需路由；要么在2倍網關有效范圍內，僅僅只需通過一臺中間路由器的路由，一“跳”就可以將數據傳送到網關。這樣做的目的仍然是是減少數據無線傳輸的跳數，加快數據刷新速度。
2.5 路徑穩定性的規則
刷新率低于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。一般要求是60％的路徑穩定性，達到70％可以被推薦用于控制和高速監控。
我們知道，某臺無線設備傳送到網關的數據要求有多條路徑，由于WirelessHART網絡的自組織、自適應功能，實際傳輸的路徑隨時都可能產生變化，如果這多條路徑中的某一條是傳輸數據最頻繁的，那么這一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 刷新率低于2s，其傳輸數據到網關(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，如果經測試5條路徑穩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 路徑穩定性示意圖
大多數WirelessHART的供應商提供安裝后的檢驗手段，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。
2.6 最多7“跳”的規則
最多7“跳”原則，這是在技術交流會上艾默生過程管理的無線技術專家介紹的，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。
3、WirelessHART網絡設計規則的突破
由于上述規則是針對無線數據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據傳送可靠性一般的場合，一部分規則又是可以“突破”的。
3.1 最少5臺設備的規則
少于5臺WirelessHART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。
如圖2是一個簡單的設計實例。在工藝配置圖上，網絡是針對一個工藝單元，已放置4臺WirelessHART無線現場設備與網關。圍繞網關的圓圈代表網關有效范圍。在這個例子中，我們看到了在網關的有效范圍內僅有4臺設備。雖然達不到最少5臺設備的規則的要求，但從圖上看，4臺WirelessHART無線現場設備離圓圈的邊緣較遠，離網關的距離較近，都可以直接與網關通信，這4臺設備可以互為鄰居，所以這個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，它也是最佳的。
圖2 最少5個的規則被“突破”的實例
對于大多數WirelessHART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。
3.2 3個鄰居的規則
3個鄰居的規則是要確保每一臺無線現場設備在任何時候能與2臺無線現場設備連接，因此，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[3]。當無線現場設備是在網絡的外周邊而數據不重要時，一個鄰居也可以接受。
3.3 百分比的規則
每個WirelessHART網絡應該至少有25％的設備在網關的有效范圍內，這一比例低至10％，WirelessHART網絡也能工作。
當網絡的規模比較小的時候，最少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，最少5臺的規則肯定能滿足，而3個鄰居的規則通常也能滿足，此時因檢測點數增多，開始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。
4、強化網絡的措施
當實際WirelessHART網絡滿足不了WirelessHART網絡設計規則時，或者在現場進行測試確定網絡設計中可能存在缺陷時，需采取措施強化WirelessHART網絡，通常可以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。
4.1 在網關的有效范圍內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，無疑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，是強化網絡最主要、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場網絡的，或者是擴大網絡覆蓋區域的一種無線現場設備。添加中繼器的本質仍然是“在網關的有效范圍內添加更多的無線現場設備”，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場設備。而中繼器的功能只是強化網絡，他替代另外的具有特定測量用途的WirelessHART設備，可以使網絡內任何一臺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，提供與更多無線現場設備的直接路由，可使有效范圍最大化，最大限度地優化網絡(見圖3)。
圖3 安裝在高處的中繼器
但是在很多WirelessHART設備供貨廠家的產品目錄中，您可能找不到中繼器這個產品，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型無線開關量變送器(其價格相對便宜)，也可以選用各家公司生產的適配器作為中繼器的替代方案。因為WirelessHART無線現場設備有一個特點，他不僅僅是一臺無線參數變送器，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)的費用可以節省一些。
4.3 移動網關位置
將網關移動到WirelessHART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離安裝控制系統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，移動一下網關，可能與控制系統的有線連接距離稍長，但對強化網絡來說好處更多一些。
4.4 添加另一個網關
添加另一個網關，這增加了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4中，原有的WirelessHART網絡僅有畫面中部的5臺無線現場設備和一個網關，后來新增了右下方十余臺無線現場設備，他們都位于原有網關的的有效范圍外，移動原有網關的位置也達不到規則的要求，后添加了另一個網關，使網絡的綜合性能大大提高(遠遠超過添加一臺中繼器的效果)。比當網絡的百分比的規則、最大距離的規則、最多7“跳”的規則等原有網關達不到要求時，添加了另一個網關后，可能問題都能解決。
圖4 添加另一個網關的過程實例
4.5 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，起無線現場設備與網關之間的橋梁作用。如果系統規模很小，網關可以直接連接為數不多的無線現場設備；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。
WirelessHART接入點的一邊與WirelessHART網絡相連，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、Wi-Fi網絡或一個專有網絡。WirelessHART接入點不能直接與過程控制系統相連，而是通過一個WirelessHART網關和上位機或控制系統的連接，這是接入點與網關不同的地方。雖然有關的書籍介紹了WirelessHART的設備類型中有這一類產品，但在WirelessHART生產廠家的產品中，目前尚未見到實際的產品。
由于接入點與網關的價格相比較低，僅從完成強化網絡來說，兩者所起作用基本相同，所以如果有合適的產品，選用添加接入點的方法無疑更經濟實惠。
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
