【方原柏专栏】工业无线实战技巧——WirelessHART无线网关数量计算

WirelessHART无线网关的容量问题与无线现场设备的刷新率密切相关，为了确定无线网关的容量并进行无线网关的数量的计算，首先列举了无线现场设备的刷新率选择要点，叙述了无线现场设备台数统计的方法，最后介绍了无线网关数量计算方法。

1 概述

WirelessHART无线网络的应用越来越受到用户的喜爱，但目前仍属初期小规模的应用，一些有关设计选用的细节问题都由厂家代为处理。但随着应用的深入，用户和设计院的技术人员也应逐步了解这些细节。作者曾考虑过一些问题，比如WirelessHART无线网关的容量问题和无线网关数量的计算问题，查阅了一些资料后，对这些问题有了一点浅薄的认识，希望借此机会与同行交流。

由于WirelessHART无线网关的容量问题与无线现场设备的刷新率密切相关，所以在介绍网关数量计算问题之前要先介绍无线现场设备的刷新率的选择。而无线网关数量的计算问题上涉及到无线现场设备台数，也有必要先研究一下无线现场设备台数统计的方法。

2 无线现场设备的刷新率选择

典型的WirelessHART装置的刷新率在艾默生过程管理2010年以前的资料上介绍为8s、16s、32s或1～60min可选，在艾默生过程管理2013年4月的网关产品资料增加了1s、2s和4s。刷新率时间的跨度这样大，到底应该如何选取呢？

一般来说，刷新率选择要点如下[1]：

无线现场设备刷新率和电池寿命之间有一个权衡，更快的刷新率将导致较低的电池寿命，每台设备应该有一个合适的刷新率，以支持电池使用的长寿命，从而降低维护量；

如果无线现场设备是外部供电的，或者有太阳能供电之类的能量采集设备，或者电池的寿命不是用户的关注点，那么，更快的刷新率可以考虑；

典型的安全和控制应用无线现场设备的刷新率可能需要1s或更快，刷新率要比监管闭环控制和某些类型监督控制过程的时间常数快4~10倍；

用于监测和开环控制应用无线现场设备的刷新率要比过程时间常数快3~4倍，比如用于保护套管内热电偶的温度变送器，要使热量穿透保护套管让测量温度变化可能需要16s或更长的时间，时间常数可能超过60s或更长，盲目选择更快的刷新率完全没有必要；

刷新率超过4s对接入一个网关无线现场设备的总数影响较大，设计选用时应特别慎重。

3 无线网关数量的计算

当确定网络数量和网关配置时，设计工程师应考虑网关容量、备用容量和冗余配置这些因素。至少，每个过程单元应有属于他自己的具备备用容量的网关，以实时解决问题。如果一个小项目的应用点集中，无线现场设备的总数低于网关的容量要求，那通常选一个网关。如果项目是大型的或者有刷新率超过4s的无线现场设备，那么按以下要求确定网关的总数。

连接无线现场设备数量的标准与其他任何传统I/O类似，就是不要阻塞I/O。当不确定具体连接的是多少台无线现场设备时，我们可以多安装几台网关。或者当我们所选用的计算方法偏保守，会多用一两台网关，这其实没什么关系。因为额外的网关虽然会增加额外的费用，但是这些额外的网关能提供更多的网络冗余路径，使网络功能强化，也可以使得WirelessHART网络更可靠。

3.1 WirelessHART无线现场设备台数统计

既然是WirelessHART无线现场设备的台数统计，那么他与我们通常所说的测点数量统计（比如用于DCS、PLC）是有区别的。所谓WirelessHART无线现场设备指的是各种类型的无线现场变送器和WirelessHART适配器，将这两类设备数量相加即WirelessHART无线现场设备的总台数；而测点数量统计是总共有多少测量点。

一些WirelessHART无线现场设备支持1个以上的无线测量点，所以可能有这种情况，某个过程单元无线现场设备的数量少于测点数量。例如一台艾默生过程管理的WirelessHART 848T温度变送器有4个独立可组态输入通道，一台702型无线开关量变送器可提供单、双通道2种选项；菲尼克斯公司的RAD-WHA适配器支持最多4台 HART 设备，西门子公司SITRANS AW200 WirelessHART适配器在多线路模式下支持最多4台 HART 设备，SITRANS AW210 WirelessHART适配器在多线路模式下支持最多8台 HART 设备。在统计时，以上这些设备虽然有多个测点，但只算作一台无线现场设备。

在云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂多膛炉焙烧车间设计选用了WirelessHART智能无线网络的以下设备[2]：

9台848T多点（4点）无线温度变送器；

3台648（单点）无线温度变送器；

51台3051S无线压力（差压）变送器（检测压力及流量）

如果以测点数量统计（假设848T多点无线温度变送器的所有通道均使用），总共有：

9 ×４＋3＋51＝90　（点）

如果以无线现场设备统计，总共有：

　　　　 9＋3＋51＝64　（台）

3.2 网关最大容量计算

比较多的WirelessHART设备生产厂商早期的资料中说：每台网关可以支持100台 WirelessHART无线现场设备，如艾默生过程管理的1420智能无线网关、西门子公司的IE/WSN-PA LINK网关，但菲尼克斯公司RAD-WHG/WLAN-XD WirelessHART网关、E+H公司WirelessHART Fieldgate SWG70 网关的资料中说可以连接250台Wire-IessHART无线现场设备，只不过E+H公司WirelessHART Fieldgate SWG70 网关的资料中又补充说容量取决于所连接WirelessHART无线现场设备的刷新率。在现有资料中，认为网关容量取决于所连接WirelessHART无线现场设备的刷新率这一点是共同的，但不同的是，有的资料是按在网络中使用的最大刷新率估算网关的容量，有的资料是按在网络中使用的刷新率的平均值计算网关的容量。

3.2.1 按最大刷新率估算网关的容量

这是一种非常保守的估算方法，保守地假设所有的设备都是同样以最快的刷新率操作，按最大刷新率确定网关的容量。估算的例子是：如果每个网关所有的设备的刷新率都是8s或更慢，那么网关足以支持100台 WirelessHART设备。如刷新率超过4s可能影响接入一个网关连接无线现场设备的总数[1]。

在艾默生过程管理的1420智能无线网关最新的使用说明书中，给出了单一网络最大规模的数据[3]：

8s刷新率：100台无线现场设备；

4s刷新率：50台无线现场设备；

2s刷新率：25台无线现场设备；

1s刷新率：12台无线现场设备。

3.2.2 按在网络中使用的刷新率平均值计算网关的容量

HART基金会提供了一个简单的参考公式用于计算WirelessHART接入点的数量，即多少台场设备可以直接或间接地连接到一台WirelessHART接入点（在连接WirelessHART无线现场设备这一点上，接入点与网关应该是等同的）：

设备数=设备的平均数据更新率(AUP) ×25 （1）

例如，当设备的平均数据更新率为1s时，那么一台WirelessHAJT接入点可以接人25台设备；当设备的平均数据更新率为10s时，那么一台Wire-lessHHART接入点就可以接入250台设备[4]；当设备的平均数据更新率为4s时，那么一台Wire-lessHHART接入点就可以接入100台设备。

根据公式（1）的计算结果与上一节估算数据相比有2点不同：一是估算数据中的刷新率用的是最快刷新率，二是如果将估算数据转换成类似公式（1）的话，公式（1）中的常数25要减少一半，为12.5.

3.3 考虑备用容量后的网关数量计算

首先确定备用容量系数，如果网络将来扩展的可能性很大，备用容量系数可选大一点，如果基本不存在扩展的可能性，备用容量系数可选小一点，资料[1]给出的数值是40%的备用容量系数。

我们试举一例：设某过程单元有154 台WirelessHART无线现场设备，我们需要选用几台网关？

网关数=在过程单元总的WirelessHART设备数/网关容量×（1-备用容量）

如果已经计算出网关的容量是100台无线现场设备，对于上面的例子，计算如下：

网关数= 154/100 ×（1-0.40）= 2.57 ≈ 3

对这个过程单元来说，3个网关是必要的。

3.4 考虑现场障碍物情况增加的网关

在实际生产现场，由于存在钢制设备、土建构筑物、移动车辆等障碍物，WirelessHART无线现场设备无法将检测数据可靠地传送到网关，或者少数无线现场设备距离网关较远、位置太偏，满足不了网络设计规则的要求，此时可能要专门为此增加一定数量的网关。

3.5 考虑冗余后的网关数量计算

WirelessHART无线网络考虑到网关一旦出现故障时还能正常运行，就要求对网关提供冗余配置，特别是当测量数据是至关重要而用户对数据传输有高可靠性要求时，可以选用备用网关提供冗余功能。此时所选用的网关数量将增加一倍，如上面的例子中计算结果是3台网关，最终选用的网关数量将是6台。

3.6 交由WirelessHART网关供应商计算

WirelessHART无线网络网关供应商都拥有一批专业的容量规划师，在用户所提供的无线现场设备数量、刷新率、备用容量系数、冗余要求的基础上可以提供详细的容量计算。

4 结束语

以上介绍了几种无线网关数量计算的方法，作者的用意并非一定要由用户来做计算，而是希望用户明白资料上无线网关的容量的含义，明白WirelessHART无线网关的容量问题与无线现场设备的刷新率密切相关。如果无线网络网关供应商能主动做这一项工作当然更好，但用户或设计院的技术人员自己做也不是太难的事情。

参考文献：

[1] WirelessHART. IEC62591 WirelessHART System Engineering Guide. Revision 3.0[OL]. 2012.05.

[2] 杨爱清.控制系统在云南驰宏的应用[R]. 昆明：艾默生过程创新体验之旅昆明交流资料. 2013.06.04.

[3] 艾默生过程管理.Smart Wireless Gateway Reference Manual[OL].00809-4420,Rev GA.2013.04.

[4] Deji Chen，Mark Nixon，Aloysius Mok. WirelessHART：面向工业自动化的实时网状网络[M]. 王泉，王平，韩松译.北京：机械工业出版社.2013.1.P166.

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）两本专著，参与主编国家标准“有色金属冶炼厂自控设计规范”。