【方原柏专栏】横河电机无线系统传输可靠性的现场试验

1 概述

横河电机（YOKOGAWA）一直积极参与工业无线系统标准的制定、产品开发和应用推广工作，2007年，首款无线设备开发成功；2008~2009年，进行了广泛的现场试验；2010年推出了第一套符合ISA100.11a的工业自动化无线通信的产品；2011年，又推出大规模、高可靠性、下一代、工厂范围的现场无线系统。

为了摸索使用ISA100.11a的工业自动化无线通信的经验，掌握不同用户现场应用的特点，横河电机进行了一系列不同类型的现场试验，以保证ISA100.11a的工业自动化无线通信能在各种类型的生产现场可靠运行。本文首先介绍横河电机ISA100.11a无线系统的组成、无线应用环境的分类及无线通信质量的评价指标，最后介绍了几种类型无线应用环境的试验结果。

2 横河电机ISA100.11a无线系统

横河公司小型无线系统方案应该是包括YFGW710现场无线综合网关、现场无线设备在内的，可接入最多10台（刷新率1s）或50台（刷新率5s）无线现场设备（见图1）。

图1 采用YFGW710现场无线综合网关的ISA100.11a无线系统

图中YFGW710现场无线综合网关是适用于小规模装置的现场无线系统设备，他有将现场无线设备与主机系统连接的网关功能和现场无线网络的设置及管理功能，与主机系统链接采用Modbus/TCP通信协议。

现场无线设备符合ISA100.11a标准，主要产品有以下几类：

EJX-B系列无线差压/压力变送器

YTA510单点无线温度变送器

YTM580多点（8点）无线变送器（可接入热电偶、热电阻、mV、电阻、4~20mA）

其他符合ISA100.11a注册并通过标准一致性认证的无线现场设备

横河公司现场无线设备的刷新率可选1s~3600s；电池寿命在在刷新率为10s时，不同的无线变送器大约在4~10年；在直接视线无障碍的条件下的标准天线传输距离可达600m。

3 无线应用环境的分类：

对无线环境进行分类的目的是为了在实际现场进行开发规划时估计基本的无线传送距离。具体分类见表1[1]。

表1 无线应用环境的分类

3.1 类型A应用环境

类型A应用环境如油罐之间间距很大的油罐区或管线等障碍物很少存在的区域（见图2）。

图2 典型的类别A应用环境现场

3.2 类型B应用环境

类型B应用环境有一些障碍物，如金属机械、金属设备、管道、建筑物等，但不是太多，也不是太密集，这些障碍物以反射和吸收的方式干扰了无线通信（见图3）。

图3 典型的类别B应用环境现场

3.3 类型C应用环境

类型C应用环境有很多障碍物，如在无线设备附近的金属机械、金属设备、管道、建筑物等，障碍物多且密集，致使无线设备相互间的直接视线通常被障碍物阻断（见图4）。

图4 典型的类别C应用环境现场

3.4实现无线长距离通信的应对措施

实现无线长距离通信特点是ISA100.11a无线系统本身的优点，但由于相当一部分现场属于类别B、C应用环境，需根据现场实际情况采取一些应对措施：

在类型A应用环境中，不用中继器（路由器）通信距离达到600m，而在实际现场，估计最大传送距离500m，超过这一距离，需要增加中继器；

在类型B、C应用环境中，如果无线设备相互间的直接视线被障碍物阻断，应该在无线设备相互间增加中继器，且中继器应安装在与无线设备双方都没有障碍的高处，如塔类高设备或建筑物的顶部，以便与无线设备双方间的直接视线不被障碍物阻断。在图5所示类型C应用环境中，由于障碍物多且密集，致使无线现场设备与网关之间的直接视线被阻断。当在一处高塔顶部安装中继器后，由于中继器与所有无线现场设备之间的直接视线不被障碍物阻断，中继器可以实现无障碍地与无线现场设备通信；而与此同时，由于中继器安装位置较高，他与远在500m之外的建筑物顶部安装的网关之间也可以实现无障碍地通信。

图5 增加中继器实现无线长距离通信

这里提到的中继器和路由器，但是在横河电机ISA100.11a无线系统中暂时还没有见到这2类产品，下文中再次提到的中继器、路由器均由现场无线设备组态成路由器代替。据介绍，横河电机近期新推出的产品中将包括专用的中继器和路由器。

4无线通信质量的评价指标

比特误码率（Bit Error Rate，BER）通常用于评估现场无线设备的性能。在预定位模式的通信过程中，测量比特误码率是通过检查该位被不正确地接收的几率。因此，需在设备中安装一个专用的程序，并要求分析相当大的处理量。出于这个原因，通常用于单一用途的仪表测量BER。

与此相反，数据包错误率（Packet Error Rate，PER）是不正确地接收到的数据包对整个传输数据包的比值。此项测量可以在正常的数据通信过程中无需任何特殊工具进行，所以他适合于在实际条件下评价无线通信的质量。

PER是在厂区评估无线通信质量的最根本的指标。在设计整体现场无线系统时，要确定PER是否可靠，需要重试一定数量。重试的次数，与通信路径上的信息相结合，使我们能够估计整个系统的可靠性、数据包从现场无线设备到主机系统的延迟时间和每个无线现场设备电池的使用寿命。由于这些原因，横河电机通常使用PER指数评估无线通信[2]。

5 无线传输可靠性试验

横河电机曾经在多个现场进行过本公司ISA100.11a无线系统产品的传输可靠性试验，按无线应用环境的分类，现列出每类中的一个试验实例。

5.1 类型A应用环境试验

试验环境：是在日本Arakawa河的河床和堤岸上进行的，那里没有干扰源和障碍。在距离网关200m、400m、600m、700m分别安装了无线变送器进行测试（见图6）。

图6 类型A应用环境试验

试验结果：在网关与无线变送器之间的距离是200m时，先前的无线系的PER达到现大约10%比较差的值；而采用ISA100.11a无线系统时，当网关与无线变送器之间的距离从200m、400m一直增加到600m时，系统的PER值非常低（几乎等于0%），当距离变到700m时，PER快速上升到25%。据此确定在实际现场最大的通信距离是500m[3]。

5.2 类型B应用环境试验

试验环境：由变送器传送的过程值送到控制室要穿过密集的丛林，油井与控制是的距离大约是600m（见图7）；丛林中的树对无线通信来说是强障碍物；用户要求数据刷新率是10s或更长。在丛林边缘6m高的地方安装了路由器，用于无线变送器与网关之间通信。

图7 类型B应用环境试验

试验结果：ISA100.11a无线系统所有通信路径的PER非常低（几乎等于0%）[3]。

5.3 类型C应用环境试验

试验环境：装置在60m×25m区域内有10个槽罐，槽罐的高度是20m；通道（用格栅板覆盖）、管架、电缆架是安放在槽罐的侧面；无线变送器是安放在槽罐的3个不同的平面上，最低平面离地仅1500px；所有无线设备是安装在密集障碍物区域。在槽罐区最远端的槽罐顶部安装了1台路由器，他可以实现与包括安装在最低位置的无线变送器通信。

图8 类型C应用环境试验

试验结果：即使有很多障碍物，如通道、管架、电缆架存在，安装在中间和最高位置的无线变送器还能与网关以低PER值直接通信；安装在最低位置的无线变送器通过路由器还能与网关以低PER值通信；ISA100.11a无线系统能成功的通信，而几乎所有通信路径的PER（数据包误码率）低于1%[4]。

6 结束语

用户开始应用无线系统时，应对无线系统的性能（如系统组成、信号传输距离等）、无线应用环境的状况（如要求的传输距离、障碍物的多少等）有所了解，才能有针对性地配置必要的设备，以保证无线系统的通信质量。

参考资料：

[1] Yokogawa Test Report Vol.1,WLSF-10-002,2011.

[2] Kiyoshi Takai,Kivotaka Aikawa , et al., “An Excellent Method to Lay Out ISA100.11a Field Wireless Devices”,Yokogawa Technical Report English Edition, Vol. 55, No. 2, 2012, p35-38.

[3] Yokogawa Test Report Vol.5,WLSF-10-006,2011.

[4] Yokogawa Test Report Vol.6WLSF-10-007,2011.

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”。