【方原柏专栏】无线现场设备安装的“空中网格”法

1 概述

由于流程行业无线技术均采用全球唯一的免费许可频段2.4GHz（2.400GHz~2.4835GHz），它具有频率高波长短的特点，绕射能力差，不容易绕过障碍物，一般要求发射端与接收端之间为视准线无障碍路径传播。工矿企业对于无线通信技术来说是个颇具挑战的环境，因为射频（RF）电波无法穿透容器、管道、钢结构等金属物和厚实的建筑物。此外，诸如车辆、人员移动和平台升降等日常生产活动均会使RF 环境不断变化。一旦无线通信中断，将有可能导致严重的后果。

对于这种环境条件，流程行业无线通信网络采取了很多对策，本文将以横河公司的对策——空中网格为主介绍。空中网格指的是避开障碍物密集场所，尽量利用高空传送信息障碍物较少的优势安装现场无线设备的一种方式。

2 无线应用环境的分类

横河公司对无线环境进行了分类，其目的是为了在实际现场进行安装规划时估计基本的无线传送距离和规划应采取的对策，具体分类见表1。

表1  无线应用环境的分类

      表1中，类型A应用环境最大传送距离为500m，比WirelessHART的230m要长得多，这是由于横河无线现场设备通常不带路由功能等特点所决定的。

1） 类型A应用环境  如油罐之间间距很大的油罐区或沙漠中管线等障碍物很少存在的区域（见图1）。

图1  典型的类别A应用环境现场

2） 类型B应用环境  有一些障碍物，如金属机械、设备、管道或建筑物等，但不是太多，也不是太密集，这些障碍物以反射和吸收的方式会干扰无线通信（见图2）。

3） 类型C应用环境  有很多障碍物，如在无线设备附近的金属机械、设备、管道或建筑物等，障碍物多且密集，致使无线设备相互间的视准线路径通常被障碍物阻断（见图3）。

图3  典型的类别C应用环境现场

3  各类应用环境所应采取的对策

按生产现场所属类别的应用环境，需根据现场实际情况采取一些对策：

在类型A的应用环境中，如实际现场测试最大传送距离超过500m，需增加中继器；

在类型B、C的应用环境中，如果无线现场设备之间的视准线路径被障碍物阻断，应该在无线现场设备之间增加中继器，且中继器应安装在与无线现场设备双方都没有障碍的高处，如塔类高设备或建筑物的顶部，以便与多个无线现场设备之间的视准线路径不被障碍物阻断，也可利用延长电缆将现场设备的天线引到一个相对理想的位置。

即使在类型B、C的应用环境中，由于距地面（或楼板）很近的位置往往是设备、管道、人员密集的地方，存在诸多障碍物，通信路经往往会受阻。但是在一定高度以上的空间，设备、管道就会相对稀少一些，人员也不会到达较高的位置，通信路经也将更为顺畅。如果单独分析这些较高位置所处的应用环境，往往可以列为A类开阔的空间应用环境。

在图4所示类型C的应用环境中，由于障碍物多且密集，致使无线现场设备与网关之间的视准线路径被阻断，可在高处（如塔顶部）安装中继器，使中继器与所有无线现场设备之间的视准线路径不被障碍物阻断，中继器就可以实现无障碍地与无线现场设备通信。与此同时，由于中继器安装位置较高，它与远在500m之内的通常安装在建筑物顶部的网关之间也可以实现视准线无障碍路径通信。

图4  增加中继器实现较长距离无线通信

空中网格指的是一种安装方式，在大多数生产现场，距地面（或楼板）很近的位置往往是设备、管道、人员密集的地方，存在诸多障碍物，通信路经往往会受阻，如果能将无线现场设备的位置稍微抬高一点， 

4  空中网格设计

在很多工厂的生产现场，紧密布置很多金属管道和设备，横河公司将其称为 “管道丛林”。使得在现场无法有效地构建通信视准线无障碍路径的环境。同时，许多变送器和仪表设备就安装在管道上或其附近，所以现场无线网络所处的环境正好是“管道丛林”。

为进一步提高现场无线通信的可靠性，横河公司推荐一种被称为空中网格的设计方法，将网关、接入点、中继器这类位置相对随意的设备安装在高处，则通信路经上的障碍物会减少很多，通信路经也将更为顺畅。如果可能的话，在高处安装一组中继器，作为一种无线基础设施，形成与安装在“管道丛林”中的现场无线设备通信的多条可靠的路径。这一组中继器，再加上网关、接入点等设备构成空中网格。

当应用空中网格方法时，通过中继器固定通信路径是至关重要的。由于横河电机现场无线系统同时支持自组织网络和固定路径网络，使“空中网格”的方法可以有效地应用。

网关、接入点通常安装在控制室或类似设施的屋顶上，而现场无线设备的测量点位于“管道丛林”中，两者之间的视准线无障碍路径就很难保证。与此同时，在厂区的“管道丛林”区域内，通常也会有一些高塔之类的设备；在大多数情况下，这种高塔类设备顶部附近的位置，可提供与在控制室的屋顶安装的网关、接入点之间的视准线无障碍路径通信，并能够确保在他们之间空间中的菲涅耳区，从而使这个位置对于与网关、接入点之间的无线通信是理想的。如图5所示在这些塔顶部附近安装无线中继器，有望实现良好的通信质量。经验证明，如果在高度约30m的一个中继器和一个在测量点的现场无线设备之间距离小于50m，可确保令人满意的无线通信质量。这是因为即使不能确保视准线无障碍路径，但由于有金属结构的反射波也可以提高通信的品质。然而，应注意当“管道丛林”中的通信距离超过50m时，在大多数情况下通信质量较差。

图5  应用空中网格网络概念的配置图

如上所述，在高处安装中继器，可以确保与无线接入点进行通信的菲涅耳区。此外，这消除了人、车辆或其他障碍物可能会堵塞通信路径的担忧，为了降低由通信路径中的障碍而导致通信失败的可能性，要确保到主机系统的冗余路径。

5 横河公司无线通信质量的评价指标

现场调试和投运过程中最重要的一点是要确认无线通信的质量，不同的厂家采用不同的指标评价无线通信的质量。一般来说，误码率（Bit Error Rate，BER）通常用于评估现场无线设备的性能，通过检查不正确地接收的几率来测量误码率。因此，需在设备中安装一个专用的程序，并要求分析相当大的处理量。出于这个原因，通常只对于单一专业用途的仪表测量才采用BER。

数据包错误率（Packet Error Rate，PER）是在厂区评估无线通信的最根本的指标。在设计整体现场无线系统时，要使确定已知PER是可靠的，需要重试一定数量。重试的次数，与通信路径上的信息相结合，使我们能够估计整个系统的可靠性、数据包从现场无线设备到主机系统的延迟时间和每个无线现场设备电池的使用寿命。由于这些原因，横河电机通常使用PER指数来评估无线通信质量，当我们在双击Monitor上的某个具体现场无线设备的图标时，点击弹出的对话框中将显示该设备的PER信息值。

6 对空中网格法中无线通信质量的评价实例

图6示出了采用空中网格设计方法的现场无线设备的实际布置。

图6  现场无线设备实际布局的图像

图6中，在单层控制室的屋顶上方安装了约2m高天线的无线接入点（AP），现场无线变送器（TAG1~TAG4）安装在“管道丛林”中，4台现场无线变送器的天线与控制室相距达400m。

1) 布局设计  在4台现场无线变送器50m的范围内有两座高塔（Tower1及Tower2），两个中继器（RT1和RT2）分别安装在塔1及塔2的顶部，因为这些点可以确保与AP接入点的视准线无障碍路径。虽然从TAG1或TAG2与到RT1没有提供视准线无障碍路径，但相互间的距离是在50m范围内，由金属结构的反射波同样可以通过稳定的通信。同样，可预计TAG3或TAG4与到RT2之间通信也是良好的。

2) 无线通信效果的评价  图7显示了系统的拓扑结构和通过约1000个数据包通信获得的每一个条路径的数据包错误率PER和接收信号强度指示RSSI值。如前所述，横河公司是采用数据包错误率PER作为无线通信质量的评价指标，图7中的接收信号强度指示RSSI值金作为参考，据横河公司介绍，当接收信号强度指示RSSI值大于-90dBm（即绝对值小于90 dBm）时，就可以正常传输数据。

图7  无线通信的结果评价

下表1显示了在图7中示出每条路径的数据包错误率PER值及通信可靠性。

表1  每条路径的数据包错误率PER值和每条路径的通信可靠性

       如上所示，从设备TAG1发送的数据包到达RT1是0％PER，然后到达AP是1.1％PER。这意味着，如果不重试，整个数据包的1.1％没有传送到AP。换句话说，当TAG1将数据发送到主机系统的1000次，数据丢失发生了11次。事实上，始终执行重试。例如，在带横河电机的YFGW710场无线一体型网关的系统中，当数据的更新周期设置为10s时，进行4次重试，并且所述通信可靠性的计算方法是从1减去1.1％的4次方（即通信可靠性=1-0.0114=99.9999985%）。即使按最差的TAG4错误率进行通信，由此得到的可靠性也高于99.9999％。

但是，如上所述的结构拓扑，从现场无线设备来的这些数据连接到一个中继器时，如果中继器发生故障时，或所配置的电池正在更换过程中就不能得到这些数据。为了防止这种情况发生，可以再安装一个相邻的中继器，这样的配置能得到两倍的通信可靠性。

如果应用环境在贴近地面（或楼板）是有障碍物或密集障碍物，而在一定高度之上（例如2m）为开阔的空间，当无线现场设备数量较多时，倍加福（Pepperl+Fuchs）公司推荐的做法是在高处同时安装多台中继器，在视线开阔处构成“中继层网络”，中继器向障碍物密集区安装的无线现场设备提供通信路径，同时相互间也构成Mesh网络，将来自所有无线现场设备的信息传送到网关。

图8  在底层高密度设施上方视线开阔

作者简介

方原柏：湖北黄冈人，昆明仪器仪表学会理事长，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，冶金自动化、衡器、自动化信息、仪器仪表用户、自动化与仪器仪表等杂志编委、中国衡器协会技术专家委员会顾问。发表论文270余篇，由冶金工业出版社出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年）、“电子皮带秤”（2007年）、"流程行业无线通信技术及应用"（2015年）三本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。