【方原柏专栏】工业无线实战技巧——WirelessHART规划的现场调查

在WirelessHART无线网络规划时，现场调查是首先需要考虑的工作。现场调查主要完成以下几项工作：定义网络操作区域；其他的无线网络在操作区域附近是否部署及部署情况；对操作区域按障碍物的多少和分布情况分类。

1 概述

2012年10月30日艾默生过程管理在全球用户大会上宣布其1万套遍布世界各地的WirelessHART智能无线网络已累计运行达10亿小时，他表明过程工程师们已视智能无线为一项信得过的技术[1]。另据介绍，截至目前为止，WirelessHART中国应用案例达1000个。据作者所在行业的应用案例——云南驰宏锌锗股份有限公司会泽工程多膛炉项目的应用技术人员介绍：WirelessHART无线技术在该项目中得到很成功的应用，包括WirelessHART现场设备在内的产品精确可靠，是产品选型的首选技术。

在WirelessHART无线网络规划时，现场调查是首先需要考虑的工作。但是否进行现场调查可能有3种选择：无须调查；由WirelessHART设备制造厂家派专家现场调查，或设计人员赴现场调查。

现场调查涉及到人力、物力消耗，实施起来有一定的难度，所以WirelessHART设备制造厂家并不极力推荐派专家现场调查。

但是现场调查有助于无线网络的规划和后期投运工作的实施。在生产过程的工艺装置中，比如一个车间或一个工序，往往有一些管道、设备、建筑物，其材质为金属、钢筋混凝土等，他们大部分都会反射和吸收无线信号，因而被称为障碍物。而障碍物的多少和分布情况往往涉及到一些辅助设备的选用，如在多障碍环境中，可能会增加中继器、接入点、网关的数量。因此有条件的话，应该选择进行现场调查工作：或请设备制造厂家派专家现场调查，或设计人员亲自现场调查。据介绍WirelessHART设备制造厂家派专家现场调查可提供全面的现场调查，包括进行无线频率分析、确定无线设备的位置、安全性评估并提出保证应用性能的相关要求。所以当有可能时，还是应该请WirelessHART设备制造厂家派专家现场调查。

WirelessHART无线网络规划的现场调查大体可以分成以下几项工作：

定义网络操作区域；

其他的无线网络在操作区域附近是否部署及部署情况；

对操作区域按障碍物的多少和分布情况分类。

2 定义网络操作区域

工艺装置通常分为多个过程单元，比如一个车间、一个工段或一个工序，这些过程单元是相对独立的，只负责本区域的。这样可以按照工艺装置相同的组织结构、工作流程由每个过程单元通畅地传递过程信息。我们就可以将这样的过程单元定义为WirelessHART无线网络的一个操作区域。这有点像FF现场总线段一样，需要将众多的FF现场设备按总线段分区，只不过FF现场总线段涉及的点数较少，通常在十个点左右，而一个过程单元往往要涉及到数十个点甚至更多。

WirelessHART无线现场设备采用标准配置的天线为短天线（即全方向性天线），在没有障碍的情况下，采用短天线的无线设备的有效信号传递最大距离是230m。所以大多数过程单元可以适合在一个250m×250m(或200m×200m)的方形区域内，当过程单元是在室内时，虽然因有障碍物使直接传输距离较短，但仍然可以通过无线设备的路由，使WirelessHARTMesh网络覆盖过程单元整个区域。

例如，图1中所示的工艺装置由道路分为7个工序，依此刻将工艺装置划分为7个过程单元。每个过程单元的无线设备数不一定相等，可多可少。但需要考虑复杂的网络设计时，不比如在封闭的厂房内，最好分楼层设过程单元；如果厂房内被较多的障碍物分隔，这可按每一个较大的分隔区域作为一个过程单元。

云南驰宏锌锗股份有限公司会泽工程多膛炉项目3台15m高的多膛炉分布在3层工业厂房中，跨层传输无线信号有一定的困难，所以3台网关每一层楼安装一台，因此是按楼层划分过程单元，而不是按3台多膛炉每台炉子来划分过程单元。

图1 工艺设备实例

一个WirelessHART网络的范围限制在一个专用的过程单元，但仍保留用于将来扩展的灵活性，在该过程单元内部或其附近区域如果要增加测点，通常只需增加无线现场设备即可实现，不会受其他过程单元区域无线网络的约束。

3 操作区域其他无线网络的部署[2] [3]

在规划WirelessHART网络之前，应弄清楚是否有任何其他的无线网络在操作区域附近或虽在外面但靠近操作区域。必须详细回答以下问题：

他们是否使用2.4 GHz，如果是，他们使用什么样的信道？

他们位于何处？

他们用于何种应用？

数据负荷是多少？

我们的目标是与任何其他的无线网络共存，共存意味着每个网络可以不被干扰地发送数据包或当其他网络发送数据包时暂时中断。或者换句话说：两个网络的数据包不应该发生碰撞。数据包碰撞发生的条件是：当他们是在相同的位置、相同的频率、同一时间发送时，数据包碰撞发生（见图2）。

图2 数据包碰撞发生的场合

对用户直接产生影响的是两个条件：位置和频率。

因为2.4 GHz频段作为标准频段被广泛使用，不同无线网络使用相同的信道或重叠的信道的可能性也是有的，这满足了“频率”的条件。如果他们的活动范围不重叠，网络不受干扰。例如,一个蓝牙系统覆盖工厂一端一个小的区域，不会干扰安装在工厂另一端蓝牙区域以外的WLAN无线局域网。

当两个无线网络彼此接近时，他们的范围重叠，这满足了“位置”的条件，网络的范围主要是由发送功率和环境确定的。当他们使用不同的频带（例如，2.4 GHz和900 MHz）或他们使用同一频带不同的信道（例如，使用根据IEEE 802.11的信道1和信道6）时，网络不会彼此干扰，此时应将其他网络使用的信道列入黑名单，而选择信道时只能选用剔除了黑名单的剩余信道，以确保信道在带宽上不重叠。

当系统同时发送信息时，这满足了“时间”的条件。时间不直接影响用户，当系统需要发送数据包时，两个网络不同步、时序不一致，数据包不一定发生碰撞。当每个系统在一定的时间内发送更多的数据包时，数据包发生碰撞的概率就增加。当数据包发生碰撞时，通常可再次发送该数据包，但是当两个系统在一定的时间内发送和再次发送多次时，应设法减少数据包的通过量，放慢通信，这可能在某些应用里不能做到。因此，重要的是检查每个无线网络的占空比并估算所有无线网络整体占空比是否过高。

通过消除其中至少一个条件以避免数据包碰撞发生：

位置：使他们相距一定的距离，这往往不可能做到。

时间：减少数据包吞吐量，减少数据包碰撞并破坏的可能性；安排不同的无线网络在不同的时间通信（例如，一个无线网络在某一秒通信，而另一个无线网络在随后的一秒通信，等等）。

频率：每个网络使用不同的信道或信道组，为每个系统列出黑名单信道和指定某些信道。图3所示为操作区域附近有2个WLAN无线局域网WLAN1和WLAN2，他们也使用2.4 GHz频带，WirelessHART无线网络则将WLAN1和WLAN2占用的信道1~3、8~12列入黑名单，只使用另外的4~7信道。当WirelessHART无线网络少于标准的15个信道时，虽然他能与周围的其他无线网络共存，但必须指出，WirelessHART无线网络的性能有所降低，因为提供的可用信道较少。这种性能下降将不会是使用无线网络的障碍，但在某些情况下（例如在要求快速响应和低延迟时），必须考虑。

图3：2.4 GHz频带的专用信道

4 操作区域按障碍物分类

对工艺装置操作区域按障碍物的多少和分布情况通常可分为4组[4]：

无障碍：没有障碍物，视线清晰；设备的天线都安装在障碍物之上，地形的变化的角度很小（通常小于5度），有效信号传递最大距离为230m。

少障碍：有一些基础设施，但仍有开放的区域；在那里你可以从一个设备看到多个其他设备，罐区是典型的例子，尽管槽罐本身是个大障碍物，但在大量槽罐之间及上方，有良好的射频传播空间，有效信号传递最大距离为150m。

中等障碍：稠密的环境中仍然有相当大的区域没有障碍物，如一辆卡车可以通过，有效信号传递最大距离为75m。

多障碍：从一个设备看不到其他设备，区域有很密集的设备、管道和建筑物，不可能驾驶卡车或让尺寸较大的设备通过，有效信号传递最大距离为30m。

这些区域可以很容易地在卫星图片或平面图上识别，图4非常形象地显示了操作区域按障碍物的分类，我们可以用经验来判断这些区域。上面所提供的有效信号传递最大距离的数字是保守的，因此通常可以得到更好的结果。

图4：工艺装置操作区域按障碍物分类

在垂直方向（即不同标高的位置）上，环境中障碍物的密度可能不同甚至相差较大，例如，在楼面附近障碍物的密度是非常高的，但离楼面超过一定高度后障碍物的密度变低甚至没有障碍物（见图5）。中石油塔西南化肥厂的再生塔、吸收塔高约40m，在塔身的上、中、下部分别装有无线现场设备。如果网关安装在低处，由于设备密集，属中、多障碍区，现场实际将网关安装在高处的操作栏杆上，这里视线开阔，应属少障碍或无障碍区，信息传输的效果更好，

图5：在垂直高度上的基础设施密度

当在接近地面、地下或在水中安装无线现场设备时，因RF射频信号被吸收，将明显降低有效信号传递最大距离。

WirelessHART的一些厂商为更长距离的应用提供了选项和技术，如采用长天线选项时，在无障碍的情况下，无线设备的有效信号传递最大距离可由短天线时的230m延长到800m。增加中继器等设备也可以加大有效信号传递最大距离。

5 结束语

在设计选用WirelessHART无线网络时，现场调查是一项很重要的工作，由于目前大多数单位还是首次使用，或者即使不是首次，使用经验也不够丰富，所以作者建议还是以邀请WirelessHART设备制造厂家派专家现场调查为好，其优点是对未来无线网络投运时才会出现的问题有事先准备，订货设备也不会漏项。

参考文献：

[1]艾默生:用于过程自动化的无线网络技术已经成熟［EB/OL］.http：//www.gongkong. com/company/news/ 2012-10-11.

[2] PEPPERL+FUCHS. Technical White Paper - Planning and Deploying Networks.2011.07.

[3] PEPPERL+FUCHS. Wireless Technology. Technology Guide. 2012.12.

[4] WirelessHART. IEC62591 WirelessHART System Engineering Guide. Revision 3.0. 2012.05.

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”。