【方原柏专栏】WirelessHART无线网络前期工程设计

1 前言

WirelessHART符合IEC62591国际标准，采用了可互操作的自组织Mesh网状技术，其中无线现场设备组成的无线网络可以在过程环境中克服障碍物对无线通信的影响。这种架构不需要布线等配套基础设施，创建了符合成本效益良好的自动化替代方案。WirelessHART的无线现场网络将无线现场设备的数据传送到控制系统，在生产现场表现出的性能是安全和可靠的，展现了无线通信技术用于监测和控制应用的能力。

作者先后看到了艾默生过程管理公司制定的“IEC62591WirelessHART® System Engineering Guide”（IEC62591WirelessHART®系统工程指南）（2012年5月，3.0版）、“System Engineering Guidelines IEC62591WirelessHART®”（2014年5月修订版04）和“System Engineering Guidelines IEC62591WirelessHART®”(2016年2月，AB版)，觉得这三份指南对自控设计工程师完成WirelessHART无线网络工程设计很有帮助，所以我根据前后三个版本的内容和我的理解，对其中涉及WirelessHART无线网络工程设计作一介绍。

在智能现场设备与控制系统或监测系统之间使用模拟线缆发送和接收信息时，采用的数字式HART通信协议是一个全球标准，作为世界领先的过程通信技术，一直为智能仪表提供服务。世界范围内，安装和运行着的HART产品超过了五千万台，在已安装的智能仪表中，75%以上是基于HART标准的。

WirelessHART与有线HART设备的良好兼容，使得有线HART设备和WirelessHART设备能共存于同一系统中，同时还能将WirelessHART系统无缝地整合到已有的上位机、集散控制系统以及资产管理应用程序中。

WirelessHART和HART之间的相似性使无线设备得以充分利用现有的流程组织进行培训，由此实现有线到无线最小程度的变更。有些用户之前的一些有线方案项目成本比较高，使用无线，可以减少这些项目的成本，从而让最终用户获得自动化升级的收益。WirelessHART无线网络在项目执行时，由于无需配线、无需外接电源和减轻重量等方面的众多优势，提供了应用的灵活性，使用户在维护、安全、环保和可靠性等方面得到长远的利益。

在英文“指南”中，给出了工程项目执行的一个典型框架，将工程项目执行生命周期分为五个阶段：Appraise（评价）、PRE-FEED（预工程设计前端）、FEED（Front End Engineering Design，工程设计前端）、Execute（执行）、Operate（运行）。但在“指南”的具体内容中，其称呼也不完全统一，如将Appraise（评价）称为Conceptual Design（概念设计)，将PRE-FEED（预工程设计前端）称为Preliminary Design（初步设计），将FEED（工程设计前端）称为Development for Design（开发设计），将Execute（执行）称为Detailed Design（详细设计）。考虑国内工程设计阶段的划分，本文将“指南”中的Appraise（评价）、 PRE-FEED（预工程设计前端）、FEED（Front End Engineering Design，工程设计前端）、Execute（执行）、Operate（运行）分别称为预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计及运行。

图1说明了在项目执行周期WirelessHART的典型框架，虽然WirelessHART可以在一个项目的任何阶段引入，但在执行生命周期的早期引入更为有利。

图1  WirelessHART项目执行生命周期的各阶段

其中前三个阶段（预可行性研究、可行性研究、初步设计）直接与前期工程设计相关，本文将重点介绍了这三个阶段的WirelessHART无线网络工程设计。

2 预可行性研究

2.1 预可行性研究阶段的输入和输出

预可行性研究阶段需要以高水平的客户要求或项目的约束条件作为输入，在这个阶段，一个确定的约束或目标的简单陈述就足够了。在这一阶段，可就怎样满足商务要求和项目要求选择无线技术的架构作一个简单的陈述。应确立项目设计规则，定义WirelessHART适用于哪些测量和控制点，从而实现后续项目阶段在工程上的一致性和高效率。

图2显示了预可行性研究阶段的输入和输出。

图2：预可行性研究阶段的输入和输出

2.2 预可行性研究阶段的工作

在预可行性研究阶段，可以通过以下因素对WirelessHART技术进行评价：

成本最小化

易于安装

减少安装和调试时间

易于维护

未来的I/O点扩展方便（可扩展性）

以“易于维护”为例，WirelessHART技术具有以下优势：WirelessHART设备除了更换电池外没有特别的维修要求；可向资产管理系统提供诊断信息，当有维护要求时向操作人员发出警报；在危险区域的维护，WirlessHART设备提供了更大的优势，电池是本质安全的且功率受限，设备使用这样的电池可以在现场更换而不致造成安全风险。

此外还应考虑在有线电缆桥架无法进入的地方，有些检测参数被迫取消对工艺的影响；应该考虑在项目实施过程中，仪表型号变化、仪表添加或删除对项目时间和成本产生的影响。

WirelessHART现场网络的好处是以有组织的方式收集数据，优化工艺操作，包括远程定位，以确保为工厂运营团队提供正确的信息，帮助他们做出正确的决定，提高装置的产量。WirelessHART现场网络可以做到：

所覆盖的监测点通常是工厂操作员无法监测的

最大限度减少工厂操作人员在危险地点工作的时间

更好的报警处理和报告

变送器通过趋势显示提供比普通仪表和开关更好的可视性

而WirelessHART技术提供了一个相比传统的通信方式更有效的方案，项目技术管理机构将基于以上评价决定使用无线。

2.3 预可行性研究阶段的文档

2.3.1 参考文件：

客户需求规范

2.3.2 交付文件：

预可行性研究设计理念/架构

技术和解决方案的经济分析

项目要求

3 可行性研究

3.1 可行性研究阶段的输入和输出

在可行性研究阶段，关键是要对应用场合使用合适的现场设备技术，而且在最终用户可能扩展的新区域也要作这样考虑。必须考虑可用技术并评估对特定项目的适用性，在可行性研究期间，应将WirelessHART与其他协议（包括HART、基金会现场总线FF和Profibus）一起视为候选技术。

在可行性研究阶段，应确认最终用户使用的频带合乎国家批准的规定。在项目中引进无线技术时，应使用统一的方法，应使用与有线项目相同的程序将无线技术引入。

在可行性研究阶段，对在预可行性研究阶段建立的要求、理念和规则作进一步阐述。在这个期间，对确定的应用部署WirelessHART时可以探索和验证进一步的细节。

下面的图3显示了在可行性研究阶段的输入和输出。

 图3  可行性研究阶段的输入和输出

一个集成的方法用来将无线纳入到项目，在某个项目之中无线、有线可能同时并存。在可行性研究中，应重点考虑使用正确的现场设备技术，从而正确应用和拓展新的终端用户的通信。

WirelessHART是专为控制和监测应用开发的，但在目前使用的情况下，用户一般采用较为保守的态度，强调监测应用。因为当前绝大部分应用案例都侧重于监测应用，所以在满足行业需要的前提下，对这一创新技术采取了保守的态度。表1从控制回路的重要性、工程和实施成本、现场设备相对主机系统位置三个因素综合考虑后，概括总结了如何选择合适的通信方式。

表1  基于技术和投资考虑的通信方式选用表

注：表中空白栏表示在某些情况下适合。

WirelessHART无线网络除了检测外，最终的定位还包括控制，但在现阶段，仍然建议不用于控制回路，所以涉及控制回路的应用，目前可采用常规方式或现场总线方式通信。

通信方式选用表

3.2 可行性研究阶段的工作

在可行性研究阶段，需要以成本和时间的观点对WirelessHART和有线解决方案进行比较，然后做出判断，在可行性研究阶段，应该以这个成本效益研究的输入进一步评估采用WirelessHART和有线解决方案的效益。

可以考虑比较以下因素：

主接线盒

二次接线盒

主电缆桥架

辅电缆桥架

多芯电缆

机械和土建工程电缆路径

系统电源柜

机柜

配线柜

电缆桥架布线、接线盒的电缆桥架工程和位置3D建模

变更请求管理的成本

安装电缆桥架、电缆的时间和工时

电能消耗

占用空间

材料重量

设计时间

基于区域分类和保护概念所需材料

对于成本、时间、电能消耗、空间和重量的节省的典型案例研究如图4和图5所示。这些案例研究通常应考虑以上所列因素。

图4  节省时间和成本的案例研究

注：①——100%常规I/O点

②——70%常规I/O点+30%WirelessHART点

 图5  节省电能、空间和材料重量案例研究

注：①——100%常规I/O点

②——70%常规I/O点+30%WirelessHART点

3.3 可行性研究阶段的文档

3.3.1 依据

按照可行性研究项目文件中的更新客户需求特性，提供现场规划/配置、P&ID（管道和仪表的设计图）、仪表明细等用来确定可行性研究基础。这包括创建一个检测网络无处不在的WirelessHART仪表、网关和中继器的数量，在缺少必要输入的情况下，可以在类似工厂/设备经验的基础上设计。

考虑到室内、户外和偏远地区的要求，可确定WirelessHART无线网络的初步网络拓扑结构。需要考虑合适的接口解决方案，以便将多个无线现场网络连接到主机系统和AMS设备管理系统。

3.3.2 参考文件

最初的计划

初始三维布置图

初始P&ID

仪表明细表

客户要求的技术特性

成本估计建议文件

3.4.2 交付文件

初始无线现场网络的体系结构

测量信号的类型

工程量清单

4 初步设计

4.1 初步设计阶段的输入和输出

初步设计是一个重要的阶段，关键是要为无线提供例如成本估算、设计指导原则和技术规格等资料。在初步设计时所有人协同努力，将有助于明确所有项目的具体要求，避免在施工图设计阶段设计的重大变动。

图6显示了初步设计阶段的输入和输出。

 图6  初步设计阶段的输入和输出

4.2 初步设计阶段的工作

4.2.1 成本估算

WirelessHART现场设备的供应商可能提供成本计算器并进行了项目投资研究，通过比较和参照，可以为项目中部分或全部采用无线的成本合理性提供支持。对于大型项目，无线技术可通过将有线监测点转换为无线监测点来降低投资成本。

在项目成本估算的计算模型中评估以下因素：

降低的工程成本（包括制图、文档编制以及工厂验收测试）

减少的人工（包括现场安装、调试和监督）

减少的材料（包括端子、接线盒、接线、电缆桥架/导管/线槽、电源和控制系统组件）

减少设备（包括接线柜、供电装置和I/O组件）

订单变化（包括添加、删除和移动现场设备）时减少成本

减少项目执行时间（包括在无线现场设备的施工、调试）

I/O容量管理（每台WirelessHART网关实际上是有I/O容量备用的）

减少日常维护量（增加了自诊断功能、不必查找线路故障）

4.2.2 评价因素

对初步设计阶段项目WirelessHART配置的评价因素：

环境

WirelessHART功能设计要求

工程执行定义的范围

WirelessHART基础设施的要求

操作要求

设计输入文件的审查

设计开发基础

风险评估和初步设计基本要点审查

4.2.3 工程实施范围定义

相关人员会议是重要的，要确保对所有项目无线应用范围的了解，审查讨论在关键区域划分的工作。项目必须明确团队的分工，使计划得以高效率实现。

应讨论室内无线网络的要求以确定WFN（WirelessHART现场网络）和WPN（未查到其含义，我的理解是WFN上层的无线骨干网络，如用于网格接入点之间及送入根入点的Wi-Fi无线网络）一体化网络的范围。

必须明确界定无线通信网络的可用性、冗余、WirelessHART设备的供应、安装、配置和现场调试工作、备用要求范围。

在范围的陈述中应考虑整个无线网络架构设计、无线设备的位置、接入点之间的最小距离和覆盖范围、网络覆盖范围和性能要求。应定义无线网络辅助设备（如移动工作人员使用的WirelessHART手持通信器）的活动范围。

确定项目实施的现场设备类型和WirelessHART信号类型，应对采用WirelessHART无线网络传送的设备类型和以下信号进行评估：

压力

温度

流量

物位

音叉式物位

电导率

pH

腐蚀

储罐计量

导波雷达物位

离散位置监测

离散输入

离散输出

声波（蒸汽疏水阀和PRV压力调节阀监测）

振动

火焰

4.2.4 环境因素

检查危险区域的分类要求、温度等级、装置的环境温度。

应考虑正常使用射频频率的频段和国家标准的规定。

4.2.5 WirelessHART功能设计要求

初步设计的初始阶段，客户的功能需求转化成网络的基础设施、设备的特性、主机接口和设计规范的应用文件以及与WirelessHART应用相关的边界条件。

以下为开发WirelessHART无线网络设计需考虑的要点：

网络环境与区域分类

WirelessHART的系统架构

操作要求

数据的要求

接口

测试

备件

文件

培训

WirelessHART网络的安全性、可靠性和互操作性

4.2.6 无线基础设施的要求

对无线基础设施（我理解的无线基础设施包括网关、接入点、网桥、中继器等节点）的要求应当考虑下列因素：

实施计划审查和确定开发的基础设施

系统的体系结构

无线现场网络（(IEC62591WirelessHART现场仪表）的设计

自动化系统主机接口

过程控制网络接口

包括现场设备和现场网络配置诊断的资产管理系统

4.2.7 操作要求

对操作要求应当考虑下列因素：

过程监控和信号类型

设备诊断

回路响应时间

DCS人机界面

冗余

WirelessHART网络组件

实际有线基础设施现场检查减少的量化

操作人员巡视取消/减少

4.3 初步设计阶段的文档

4.3.1 设计输入文件的审查

项目提供的可行性研究文件应该是从客户收集了解的项目要求、地形配置、设备布置图、可行性研究仪表明细表、三维配置图。

项目团队应当确保有足够的输入以定义项目最初的设计理念，如果缺少相应文件，应与客户进行讨论以澄清有关技术问题。

4.3.2 初步设计的基础

4.3.2.1 WirelessHART设计指导原则

例如，工艺设计工程师可以遵照如图7所示的标准。

图7  标准示例

按该标准示例确定以下内容：

确定哪些类别的点适合使用无线：安全、控制、检测和本地显示

确定新的用户是否适合使用无线，如过程效率、维护、资产保护、可靠性、健康/安全/环境和能源管理

确定所需备件的百分比

考虑网关和无线现场设备之间距离所涉及的因素

4.3.2.2 规格

WirelessHART现场设备规格均与有线HART设备相同，HART仪表规格是WirelessHART规格的基础，对于ISA-20规范（有关过程测量与控制、一次元件和控制阀规格内容及形式一致性文件）的根本差别是输出信号、电源、刷新率、保护类型/外壳（见表3）。

表3  有线HART与WirelessHART的之间的差异

4.3.2.3 概念测试证书

WirelessHART是在过程装置与环境的综合范围内建立的，可能出于演示和熟悉的目的进行概念测试，以了解相关人员的技术能力和应用，这可以在车间设置完成。

4.4 初步设计审查

在现场规划审查完成后，从各种WirelessHART工具收集的报告结果、概念和符合客户要求的证书应交与所有相关人员讨论。任何的需求变更、偏差或假设也应与相关人员讨论，由于WirelessHART非常灵活，对于整体架构的变化它总是很包容的。

5 结束语

由于WirelessHART无线网络设计进入设计领域时间较短，积累经验也少，所以前后三个版本“指南”虽然相互间隔时间均不足2年，但每一次都有很多内容做了修改。国内的设计院在进行WirelessHART无线网络前期工程设计时，可参考本文所述内容，但也不必过于拘泥，可结合工程实践，减少或增加相应内容。

作者简介

 方原柏：湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级高级工程师，衡器、自动化仪表、冶金自动化、仪器仪表用户、仪器仪表与自动化等杂志编委，昆明仪器仪表学会理事长，中国衡器协会技术专家委员会顾问，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“流程行业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，发表论文300篇。