【方原柏专栏】WirelessHART无线电源模块寿命的估算

1 概述

我在“WirelessHART无线网关容量的估算”文中，已经介绍了一个WirelessHART无线网络的设计工具。作为WirelessHART无线网络设计中的另一个估算工具，本文将介绍WirelessHART无线电源模块寿命的估算。

无线智能现场设备采用电源模块供电，其功率要求极低，但通常用户希望在苛刻的工厂环境中须持续使用3~10年。所以具体到用户使用的无线智能现场设备的使用寿命是多少，这是用户特别关心的问题。作为WirelessHART无线网络的用户，了解电源模块寿命如何估算有两重意义，一是对用户使用的WirelessHART无线网络设备的电源模块寿命有一个预估算值，从而为电源模块的维护、订货、及时更换做好准备，二是对影响WirelessHART无线网络设备的电源模块寿命的因素有一个量化的认识，从而能在WirelessHART无线网络设备投运时正确选定其相关参数值。

图1是艾默生过程管理公司WirelessHART无线智能现场设备使用的两种电源模块，左侧为黑色电源模块，右侧为绿色电源模块，除了3051无线压力变送器、2051无线压力变送器、708无线声波变送器使用绿色电源模块外，其余多使用黑色电源模块。其结构材料均为锂-亚硫酰氯，不同的是额定电压黑色电源模块为7.2V，绿色电源模块为3.6V。

图1  WirelessHART无线智能现场设备使用的两种电源模块

2 无线电源模块寿命估算器

在艾默生过程管理公司的网站上，通过“工业智能无线”进入“文章/资料”后，在右侧可以看到“IEC 62591 (WirelessHART)系统工程指南”，下载后，在页面编号93可以看到“Appendix B Design Resources”，在该附录内容中可以看到“Emerson Process Management™ power module life estimator”，其下方有一行字“Click here to access the tool.”，如果点击划横线的单词“here”即可进入“power module life estimator”（电源模块寿命估算器）文件（见图2）。

图2  无线电源模块寿命估算器

图2中，最上面一行是艾默生过程管理公司的标志、电源模块照片和图名“电源模块寿命估算器”，随后分成三排，分别为估算步骤1、2、3。步骤1是选择艾默生无线智能现场设备，步骤2是其他数据，步骤3是估算结果。

3 选择艾默生无线智能现场设备

目前该表已列出18类艾默生无线智能现场设备，它们是：

罗斯蒙特3051S无线压力变送器

罗斯蒙特648无线温度变送器

罗斯蒙特702无线开关量变送器

罗斯蒙特3051无线压力变送器

罗斯蒙特848T无线多点温度变送器

罗斯蒙特3051S无线多变量变送器

罗斯蒙特2051无线压力变送器

罗斯蒙特705无线累计量变送器

罗斯蒙特248无线温度变送器

罗斯蒙特6081无线分析（pH、ORP和电导）变送器

CSI9420无线振动变送器

Roxar CorrLog无线腐蚀量检测变送器

RoxarSandLog无线砂/侵蚀（Sand/Erosion）变送器

罗斯蒙特708无线声波变送器

Fisher4320无线位置变送器

TopWorx无线位置变送器

罗斯蒙特2160无线音叉液位开关变送器

罗斯蒙特3308A无线导波雷达物位变送器

大部分无线智能现场设备点击步骤1下方所列18种设备名称及图形即可，但有以下无线智能现场设备还需作出第二次选择。如点击罗斯蒙特6081无线分析变送器后，跳出一个选择方框，要求对应用参数（是pH/ORP还是电导）作出选择；如点击Fisher4320无线位置变送器、TopWorx无线位置变送器后，跳出一个选择方框，要求对电源组件类型（是标准电源组件还是寿命扩展电源组件）作出选择。

当作出选择后，在18种设备名称及图形的下方显示了您所选择的无线智能现场设备的名称和型号。

4 其他数据选择

在选定无线智能现场设备后，还有3项数据需要选择：刷新率、操作条件、设备的环境平均温度。

4.1刷新率

除了CSI9420无线振动变送器、Roxar CorrLog无线腐蚀量检测变送器、RoxarSandLog无线砂/侵蚀（Sand/Erosion）变送器的刷新率很慢以外，其余智能无线设备刷新率多数可选数据为1s、2s、4s、8s、16s、32s、60s、120s、300s、20 min、40 min、60 min、120 min。而CSI9420无线振动变送器刷新率可选数据为：20min、40min、60min、120min；Roxar CorrLog无线腐蚀量检测变送器、RoxarSandLog无线砂/侵蚀（Sand/Erosion）变送器刷新率可选数据为：20min、40min、60min、120min、12h、24h。

以最常用的无线智能现场设备——3051S无线压力变送器、648无线温度变送器、848T无线多点温度变送器为例，在操作条件为正常的网络结构（见下文介绍）、设备的环境平均温度为室温21℃情况下，电源模块寿命估算值见表1。

表1  常用无线智能现场设备的刷新率与电源模块寿命的估算值（年）

由表1所列数据可得到以下几个概念：

就某一种无线智能现场设备来说，刷新率越快，电源模块寿命越短，刷新率的高速档1s、2s、4s、8s的电源模块寿命约低于1~4年，除有特殊要求外，通常不应选这样快的刷新率；

刷新率与无线智能现场设备为单点还是多点有关，如848T无线多点温度变送器的电源模块寿命明显低于648无线温度变送器，且848T无线多点温度变送器的刷新率为4s时的电源模块寿命仅0.7年，所以没有高速档1s、2s的选项；

刷新率与无线智能现场设备的参数类型有关，如3051S无线压力变送器的电源模块寿命明显低于648无线温度变送器。

同一种检测参数且同为单点测量的无线智能现场设备电源模块寿命又会是什么样呢？作者又按这一条件输入后，发现同为无线压力变送器的3051、2051无线压力变送器，虽然在精度上不如3051S无线压力变送器，但刷新率与电源模块寿命的关系与3051S无线压力变送器完全相同，而同为单点的248无线温度变送器，虽然在精度上不如648无线温度变送器，但刷新率与电源模块寿命的关系与648无线温度变送器完全相同。

4.2操作条件

操作条件共有3个选项，原文如下：

Operating in wall formed network

Operating as point to point

Operating as pinch point

直接看字面较难理解其含义，经请教艾默生过程管理公司的无线技术专家白秀琪、王瑢后，含义分别为：

设备按照正常的网络结构运行

设备按照点对点的网络结构运行

设备按照夹点的网络结构运行

其中第一种方式为Mesh网络结构运行，是一般采用的正常网络结构运行，推荐选用；第三种运行方式中的夹点，即指关键点或唯一点，可理解为唯一路径，设计时尽量避免这种运行方式。

以无线智能现场设备中的第一个、第二个设备为例，当刷新率均选为8s时，估算的电源模块寿命的差别见表2。

表2  刷新率为8s的各种操作条件下电源模块寿命的估算值（年）

由表2可见，正常的网络结构的电源模块寿命的估算值居中，而夹点的网络结构寿命最短，点对点的网络结构寿命最长。

4.3设备的环境平均温度

设备的环境平均温度分为以下7档：

靠近高温设备85℃；

世界上最高环境温度58℃；

热带地区平均温度30℃；

室温21℃；

冰点温度0℃；

极地平均温度-18℃；

靠近冷冻设备-40℃。

用户可根据设备使用的环境平均温度从中选取一档进行估算。

作者通过实际选取设备的环境平均温度在8s、32s刷新率条件下进行估算，结论如下：在0~30℃时，电源模块寿命最长；在高或低的环境平均温度下，电源模块寿命均稍有缩短，但缩短范围仅10~20%±，影响不是太大。

5 数据输入及估算结果显示

以罗斯蒙特3051无线压力变送器为例，首先在步骤1点击该变送器，然后在步骤2分别选取刷新率（如8s）、操作条件（如正常的网络结构）、设备的环境平均温度（如选21℃），即可得到如图3所示画面，图中步骤3中的电源模块寿命值显示估算结果为3.7年。如果改变估算条件，如刷新率修改为32s，电源模块寿命值估算结果显示为8.6年。

图3  估算无线电源模块寿命计算例

6 结束语

采用艾默生过程管理公司提供的WirelessHART无线电源模块寿命估算器，可以根据无线智能现场设备的类型、刷新率要求、无线网络操作条件及设备的环境平均温度等数据估算无线电源模块寿命，从而指导用户正确选定无线智能现场设备的刷新率。

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