【方原柏专栏】现场无线网络的操作区域
1 概述
流程行业现场无线系统已经部分替代了现场总线用于现场设备与控制系统的通信，这两者之间有一些相似之处，如现场总线可以减少配线工作量，而现场无线系统可以省去配线工作量，再如现场总线需根据总线设备的区域分布划分成一条条网段，而现场无线系统也需根据现场无线设备的区域分布划分成一个个无线网络，只不过现场总线网段可连接的设备数较少，一般只有十几台甚至只有几台，而现场无线网络可连接的设备数较多，一般可连接三五十台甚至数百台。
现场无线系统的设计过程需规划系统是否由多个无线网络构成并确定每个无线网络的覆盖范围，在这里将无线网络定义为现场无线网络系统的一个基本单元，在基本单元内部，采用无线通信方式采集无线现场设备的信息，然后通过网关以有线方式与控制系统连接。作为一个基本单元的无线网络，其特点是在控制系统的支持下，具备独立调试、独立运行的功能。而控制系统可能同时连接有多个像上述基本单元的无线网络，那么多个无线网络将构成无线网络系统。而每个无线网络的覆盖范围，可称为该网络的操作区域。
2 无线网络的结构
无线网络的结构，可分为单通信层结构和双通信层结构。
单通信层结构见图1，它是由一台网关（或类似网关功能的设备）和多台无线现场设备组成，无线现场设备的数据通过国际标准规定的IEEE802.15.4无线通信方式传送给网关后，再用有线方式与控制系统连接（见图1），单通信层结构可连接无线现场设备数量较少，通常限制在100台以内。
图1 单通信层结构的无线网络
双通信层结构见图2，双通信层指的是：由图中无线现场设备与接入点（或网关）构成的国际标准规定的IEEE802.15.4无线通信层，由多个接入点构成的Wi-Fi骨干网络无线通信层。接入点是一种网络设备，可分为网格接入点、根接入点。根接入点具有到有线网络或服务器的光纤、有线以太网或电缆连接器连接，作为到有线网络的“根”或“网关”。图2中现场无线网络左边的2个无线网络是通过网格接入点直接采集无线现场设备的数据，现场无线网络右边的2个无线网络是通过网格接入点或根接入点与智能无线网关有线连接间接采集无线现场设备的数据，而网格接入点接收到的信息，再通过Wi-Fi骨干网络无线通信汇集到根接入点与有线网络连接起来。对于大规模的现场无线网络来说，无线现场设备接入数量较多，涉及的地域范围较广，一部分无线现场设备需要通过网状网络的路由设备多“跳”传输后才能到达网关。随着“跳”数的增加，通信时间随之增加，中间的路由设备可能成为无线网状网络中的瓶颈，其故障对无线网络的影响范围较大。采用双通信层结构，可以减少IEEE802.15.4无线通信方式层的“跳”数，而由接入点构成的Wi-Fi骨干网络无线通信层“跳”数少，传输稳定，提高了大规模的无线网络的数据通信速度和可靠性。
图2 双通信层结构的无线网络
3 操作区域的划分
3.1 划分要求
对单通信层结构的无线网络来说，操作区域是无线网关与现场无线设备通信所能覆盖的范围，对双通信层结构的无线网络来说，操作区域是网格接入点或根接入点有线连接的网关与现场无线设备通信所能覆盖的范围，或是网格接入点与现场无线设备通信所能覆盖的范围，指的都是按国际标准规定的IEEE802.15.4无线通信的覆盖范围。
操作区域划分时需考虑无线现场设备的点数、无线现场设备的刷新率、障碍物的多少和采用的无线通信标准。
以WirelessHART无线通信国际标准为例，上述因素的影响分别是：
网关设备一般可接入无线现场设备100台（1410无线网关为25台），但当无线现场设备的刷新率≤4s时，可接入无线现场设备减少到50台，刷新率≤2s时，可接入无线现场设备减少到25台，刷新率=1s时，可接入无线现场设备减少到12台。
无线网关与无线现场设备在采用标准配置短天线（即全向天线）时，在视准线无障碍时相互间最大距离为230m，所以操作区域应该适合在200m×200m的区域内，如果障碍物较多，这个区域的面积还应该缩小。
对于ISA100.11a无线通信国际标准来说，同样采用标准配置短天线（即全向天线）时，在视准线无障碍时相互间最大距离为500m，所以操作区域应该适合在500m×500m的区域内。如果障碍物较多，这个区域的面积同样应该缩小。
工艺装置通常分为多个过程单元，比如一个车间、一个工段、一个工序或一个机组，这些过程单元是相对独立的，这样可以按照工艺装置相同的组织机构和工作流程，按一个个过程单元为单位传递过程信息。如果这个区域内无线现场设备的点数、刷新率、障碍物的多少和采用的无线通信标准都合适的话，我们就可以将这样的过程单元定义为现场无线网络的一个操作区域。这有点像DCS有线系统设计一样，将同一个过程单元的信息纳入同一块I/O组件或同一个配线柜。
例如，图3中所示的工艺装置由墙壁分为5个工序，依此可将工艺装置划分为5个操作区域。每个操作区域的面积不一样，无线现场设备数也不一定相等，可多可少。但如果厂房内被较多的障碍物分隔，则可按每一个较大的分隔空间作为一个操作区域。如图所示，当过程单元是在室内时，虽然因有障碍物使直接传输距离缩短，但仍然可以通过路由器（或中继器）的路由，使无线网络能覆盖过程单元的整个区域。
图3 工艺设备操作区域划分实例
3.2 划分实例
3.2.1哥伦比亚Pacific Rubiales石油公司
哥伦比亚Pacific Rubiales石油公司订购了E+H公司800台WirelessHART SWA70无线适配器、43台WirelessHART SWG70 Fieldgate无线网关。
通常是5口相距较近的油井各有一根出油管，5根出油管汇集成一根汇总管，从而使5口油井聚集在一起构成一个“平台”，检测内容包括每口油井出油管的压力、温度和5口油井汇总管上的流量和压力，这些参数确定了5口油井的工作状况和产量等信息。5口油井聚集在一起的这个“平台”，对采油工艺来说是一个过程单元，这里将它作为一个操作区域是非常合适的。所有现场变送器配备了SWA70无线适配器后，与位于现场操作间的SWG70 Fieldgate无线网关通信，再经无线传送到信息化平台集中监控。
3.2.2 中石化武汉800kt/a乙烯罐区
中石化武汉800kt/a乙烯的原料罐区、中间罐区及产品罐区采用ISA100.11a（OneWireless）无线解决方案，三个罐区共计使用了35台多功能节点（包括作为冗余网关的多功能节点）、278台无线现场设备（无线压力变送器、无线压力变送器、汽车衡的AI信号适配器）。
冗余网关有线连接到现场机柜间的无线交换机，再通过无线防火墙与Experion PKS控制系统连接。
三个罐区是三个相对独立的现场无线网络系统，以原料罐区为例，图4中的多功能节点1/2、3/4同时作为主网关和冗余网关，多功能节点5、6、7、8、9、10、11安装在主管廊顶层等高处。图中，作为接入点的5、6、7、8、9、10、11多功能节点与无线现场设备之间采用的是ISA100.11a无线通信方式，而在5、6、7、8、9、10、11多功能节点与作为主网关和冗余网关的多功能节点1/2、3/4之间则采用Mesh Wi-Fi骨干网络无线通信，从而构成双通信层结构的无线网络。
虽然每一个多功能节点分配了一片操作区域，由这个多功能节点负责这个操作区域的所有无线现场设备与之通信。但这些多功能节点在同一罐区，彼此之间的距离并不太远，安装在现场的无线变送器可以自动选择就近的任意一个多功能节点进行无线通信，只需一“跳”即可将数据传输到无线Mesh Wi-Fi骨干网络上，实现了无线网络冗余多路径，提升了无线仪表系统安全性和可靠性，便于无线网络的操作管理；工程实施相对简单，安装及调试周期较短。
图4 原料罐区无线网络与控制系统连接示意图
3.2.3申能上海临港燃气电厂
上海临港燃气电厂有4台350MW燃气机组，各配一套相互间完全隔离的DCS系统，生产现场除原有的有线变送器外，另外每个机组新增了最重要的25个参数采用ISA100.11a（OneWireless）无线变送器，要求在机组DCS故障时，其余机组仍可监视故障机组最重要的25个参数。
按工艺过程4台机组划分成4个操作区域，每台机组配一台多功能节点作为其网关（见图5），采用Modbus RTU协议以RS485信号电缆有线接入DCS控制系统。这4台多功能节点构成无线Wi-Fi骨干网络，每台机组的无线数据通过自己的多功能节点可集中汇入统一的无线数据库，从而每套DCS不但可以通过自己的多功能节点获得本机组的无线数据，同时还可以获得其他3个机组的无线数据。
图5 燃气机组锅炉部分多功能节点布置示意图
本系统的无线网络结构是单通信层结构与双通信层结构的结合，从本机组的无线现场设备的信息传送给多功能节点（网关）后再以有线方式与控制系统连接看，属单通信层结构，而机组的信息又经无线Wi-Fi骨干网络传送给其他机组多功能节点（网关），这又属双通信层结构，但对操作区域的划分来说，一台机组一个操作区域还是不变的。
3.2.4 云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂
云南驰宏锌锗公司会泽冶炼厂多膛炉焙烧车间采用了WirelessHART智能无线网络与DeltaV控制系统集成。智能无线系统硬件包括无线变送器、1420无线网关和交换机。1420无线网关有4台，交换机有2台，无线变送器包括848T多点无线温度变送器、648单点无线温度变送器、3051S无线压力（差压）变送器63台共90个测点。
多膛炉焙烧车间工业厂房内配置了3台270m2多膛炉，炉高15m，多膛炉在工业厂房的各层都分布了很多测点，现场将每台多膛炉各层温度压力信号的无线变送器就近安装在主厂房的二、三、四楼层，所以每一台多膛炉的无线变送器在三个楼层都有分布。如按一台多膛炉一个过程单元作为一个操作区域，则跨层传输无线信号存在很大的困难。后按楼层划分操作区域，将主厂房的二、三、四楼各当作是一个操作区域，在每一个楼层分别安装一台无线网关，混合接入三台多膛炉在这一楼层的所有无线现场设备。而多膛炉收尘系统设置在主厂房外，障碍物较少，视野空旷开阔。因此将相关无线变送器安装在收尘厂房的三楼、四楼及引风机房顶，收尘无线网关安装在收尘四楼与三楼连接处，以保证每台无线网关能与无线变送器直接进行通信。
由于四台网关分布在工业厂房不同楼层和不同建筑物内，四台网关之间直接无线通信困难，所以4台网关是通过有线Modbus TCP/IP通信方式与主副交换机连接后，再连接到DeltaV控制系统（见图6）。这种连接方式实际上是将多膛炉无线系统分成4个独立的单通信层结构无线网络，可以单独调试，单独接入DeltaV控制系统。
图6 多膛炉网络结构图
4 结束语
流程行业现场无线系统规划的一项重要工作是划分操作区域，合理地划分操作区域有助于确定无线网络的结构及部署无线网络网关、接入点等设备，对提高网络通信质量也非常有益。
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”。
