Wireless HART网络设计规则

方原柏

（昆明有色冶金设计研究院，昆明650051）

Wireless HART流程无线系统的应用越来越广泛，直接用户和设计院都有深入了解Wireless HART流程无线系统的迫切愿望，其中对Wireless HART流程无线系统网络设计的关注尤其强烈。

在Wireless HART流程无线系统资料中，曾多次涉及网络的设计规则，这些规则虽然大体相同，但又存在一些差异，特别是作为规则（Rule），他又可以突破（Break），具体该怎样理解这些规则，又该怎样理解这些规则的“突破”？

在IEC 62591Wireless HART System Engineering Guide（Revision 3.0）中推荐了4条基本的设计规则，笔者以此为主要内容，结合相关资料，将设计规则增加到6条，然后介绍在何种情况下可以突破这些规则，突破的“底线”又是多少以及为达到规则要求强化网络的几条措施。

1 WireIess HART网络设计规则

1.1 至少5台设备的规则

每个Wireless HART网络在网关的有效范围内应该至少有5台Wireless HART现场设备，这样在正常工作时，由于每台Wireless HART现场设备同时也是路由器，可以为网络内其他现场设备作路由，即可充分发挥Wireless HART网络内在的冗余功能，实现网络可靠的工作。当新的Wireless HART设备需要添加到网络中时，可通过现有的至少5台Wireless HART现场设备的路由加入。

一些Wireless HART设备生产厂推出智能无线现场启动包，发货时智能无线现场启动包预先组态，开箱即可搭建一个安全的、坚固的自组织网络。启动包提供了一些功能选择，使用户能够快速、方便地提高运行性能，同时体验无线技术，获取无线技术的操作经验，并为未来实现更大范围的无线应用奠定基础。这些启动包的点数不多，但均要求不少于5台的Wireless HART现场设备。

1.2 3个“邻居”的规则

每台Wireless HART现场设备在有效范围内应该最少有3个“邻居”（相邻设备的俗称），在现场设备互连的情况随时间有可能发生变化时，可确保至少有2台连接。这是冗余理论的一个应用，在实际生产现场条件多变的情况下，为了保证数据传输的可靠性，以防某些移动设备对无线现场设备的传输路径形成障碍，至少还有2台相邻的设备可以提供传输路径，因此设计时“3个邻居的规则”可确保设备相对集中、相互间传输路径通畅以及路径的冗余性和多样性。

当无线现场设备只有1个“邻居”时，如由于某种原因与该唯一的“邻居”通信断开时，该台无线现场设备的通信即中断，这是不允许的。为了构成Mesh网络的冗余路径，每台设备必须有2个相邻设备。如果1个相邻设备故障，另1个相邻设备接管并提供Wireless HART网络连接。但是一个真正强大的网状网络每台设备应至少有3个“邻居”，在2个“邻居”故障时仍然可提供网络连接，这给出了一个特别高的冗余级别。

1.3 百分比的规则

每个Wireless HART网络应该至少有25%的现场设备在网关的有效范围内，以确保适当的带宽并消除难点，例如，某个100台设备的网络意味着有25台在网关的有效范围内。如果网络中20%的无线设备刷新率大于2s，应该将网关有效范围内的现场设备从25%增加至50%。

无线现场设备在网关的有效范围内，可以保证这些无线现场设备与网关直接通信而无需路由，从而减少数据无线传输的跳数（跳数是指从数据源经过中间路由器传递到达网关过程中，中间路由器的个数），加快数据刷新速度，降低数据传输的不确定性时延及安全风险，提高可靠性，同时减少电池能量的消耗，延长电池的使用寿命。

当20%的无线设备刷新率大于2s的网络，基于加快数据刷新速度、降低数据传输的不确定性时延及安全风险、提高可靠性的目的，将在网关有效范围内的设备数量的百分比增加是理所当然的。

这里网关有效范围指的是在Wireless HART网关与无线现场设备之间信号传输良好时的直线距离。如果无线现场设备之间相互做路由器，其有效范围同网关有效范围是相同的。通常情况下，当Wireless HART网关与Wireless HART现场设备采用全方向性天线且都安装在地面以上至少2m时，如果他们之间没有任何障碍物，有清晰的视线，网关有效范围是228m。但大多数过程环境中有高密度的金属（如钢制设备）或建筑物等障碍物，使网关有效范围减少。以下是在工艺过程环境中设置网关有效距离的4个基本原则：

1）严重障碍——30m。这是典型的高密度工厂环境，无法驾驶卡车或让较大型设备通过。

2）中等障碍——76m。这是中等密度的工厂环境，在设备和基础设施之间有一定的空间。

3）轻度障碍——152m。这是低密度的工厂环境，如槽罐区，尽管槽罐本身是大障碍物，但在大量槽罐之间及上方，有良好的无线信号传播空间。

4）视线清晰——228m。这是无障碍物的工厂环境，设备的天线安装在障碍物之上，地形变化的角度小于5°。

Wireless HART的一些厂商为更远距离的应用提供了选项和技术。

1.4 最大距离的规则

刷新率大于2s的无线设备与网关的距离应该在网关有效范围2倍以内，该规则为需要高速更新的监视和控制应用提供了最快的响应速度。

1.4 节与1.3节的规则有部分相似，但1.3节规定的是全部无线现场设备（包括20%或更多的刷新率大于2s的无线设备和其余刷新率较小的无线设备），1.4节规定则只对刷新率大于2s的无线现场设备作了规定，要求无线现场设备与网关的距离在2倍网关有效范围内，即要求刷新率大于2s的无线设备在网关有效范围内，能直接与网关通信而无需路由，或在2倍网关有效范围内，仅需通过1台中间路由器的路由，一“跳”就可以将数据传送到网关，以减少数据无线传输的跳数，加快数据刷新速度。

1.5 路径稳定性的规则

刷新率小于2s的控制和高速监视无线现场设备应该比一般的监控设备有较高的路径稳定性，一般要求60%的路径稳定性，达到70%可以被推荐用于控制和高速监控。

由于某台无线设备传送到网关的数据要求有多条路径，加之Wireless HART网络的自组织、自适应功能，实际传输的路径随时都可能发生变化，如果多条路径中的某一条是传输数据最频繁的，那么该条路经就是最稳定的。

图1表示了网络中有5台无线现场设备的一个局部，无线现场设备2刷新率小于2s，其传输数据到网关的路径有2—1—3，2—3，2—3—5，2—4，2—4—5等5条。如果经测试5条路径稳定性的测量值分别为5%，75%，1%，15%，4%，那么路径2—3的75%路径稳定性不仅达到一般要求，而且达到了可以被推荐用于控制和高速监控的要求。

图1 路径稳定性示意

大多数Wireless HART的供应商提供了安装后的检验方法，当网络部署后，通过检验可以确认是否能保证较高的路径稳定性。

1.6 最多7“跳”的规则

最多7“跳”是指1台无线设备借助其他无线设备的路由到达网关时，中间路由次数最多7次。由于无线设备借助某台无线设备路由的过程俗称为1“跳”，“跳”的次数太多，传送数据的滞后时间太长，因而是不可取的。

2 WireIess HART网络设计规则的突破

上述规则是针对无线数据传送可靠性要求特别高的场合制订的，当降低标准用于无线数据传送可靠性一般的场合，部分规则则是可以“突破”的。

2.1 最少5台设备的规则

少于5台Wireless HART无线现场设备的网络也可以正常工作，附加的规定是网关应该与所有的无线现场设备直接通信，以增加网络的可靠性。

图2是一个简单的设计案例。在工艺配置图上，网络针对一个工艺单元，已放置4台 Wireless HART无线现场设备与1台网关。围绕网关的圆代表网关有效范围。图2中，在网关的有效范围内仅有4台无线现场设备。虽然达不到最少5台设备的规则要求，但从图2中可以看出，4台Wireless HART无线现场设备离圆的边缘较远，离网关的距离较近，都可以直接与网关通信，4台设备可以互为邻居，因此该网络仍然可以实现良好的技术特性，对于可靠性和可添加更多的新无线现场设备来说，也是最佳的。

对于大多数Wireless HART网络来说，30台或更多的无线现场设备组建的网络是很强大的。

2.2 3个“邻居”的规则

3个“邻居”的规则是要确保每1台无线现场设备在任何时候能与2台无线现场设备连接，因而如果能确保与这2台无线现场设备的连接，实际投运的规则是2个“邻居”［1］。当无线现场设备是在网络的外周边而数据不重要时，1个“邻居”也可以接受。

图2 最少5个的规则被“突破”的案例

2.3 百分比的规则

每个Wireless HART网络应该至少有25%的设备在网关的有效范围内，当比例低至10%时，Wireless HART网络也能工作。

当网络的规模比较小的时候，至少5台的规则和3个“邻居”的规则是重点需要考虑的；随着网络的规模扩大，至少5台的规则和3个“邻居”的规则通常能满足网络要求，此时因检测点数增多，需要考虑百分比的规则；当网络的规模继续扩大，在工艺过程空间里有众多设备，区域面积也扩大了，百分比规则成为占主导地位的规则。

3 强化网络的措施

当实际网络满足不了Wireless HART网络设计规则时，或者现场测试确定网络设计中可能存在缺陷时，需采取措施强化Wireless HART网络，通常采用在网关的有效范围内添加更多的设备，添加中继器、移动网关位置，添加另一个网关，添加接入点等方式解决。

3.1 添加更多的无线现场设备

在网关的有效范围内添加更多的无线现场设备，可以增加无线现场设备的“邻居”，增加在网关的有效范围内的设备数量及比例，这是强化网络最主要、最基本的措施。

3.2 添加中继器

中继器是通过增加额外的通信路径来加强无线现场网络和扩大网络覆盖区域的一种无线现场设备。添加中继器的本质是“在网关的有效范围内添加更多的无线现场设备”，由于受工艺检测条件要求的限制，不可能添加更多的无线现场设备。而中继器的功能是强化网络，可替代另外的具有特定测量用途的Wireless HART设备，可给网络内任何1台Wireless HART无线现场设备提供更多的连接路径。

中继器可以在需要时添加，而且安装位置不受有特定测量用途的Wireless HART设备的限制，可以在任意位置安装。如可以安装在高处，躲开密集的障碍物，提供与更多无线现场设备的直接路由，使有效范围最大化，从而最大限度地优化网络［2－3］。

但是，在很多Wireless HART设备供货厂家的产品目录中，您可能找不到中继器这个产品，此时既可以选用648无线温度变送器、702型无线开关量变送器（其价格相对便宜），也可以选用其他公司生产的适配器作为中继器的替代。因为Wireless HART无线现场设备不但是1台无线参数变送器，而且还是1台路由器，更是1台中继器。如果使用本地电源，可以节省中继器（包括Wireless HART适配器）的费用。

3.3 移动网关位置

将网关移动到Wireless HART仪表分布相对更集中的位置，也是强化网络的一个方法。更多的时候网关可能布置在控制室外的墙上或屋顶上，可能不是Wireless HART仪表分布相对最集中的位置，移动网关，可能与控制系统的有线连接距离稍长，但可以强化网络。

3.4 添加1个网关

添加1个网关，会增加工艺单元的整体容量，地点在特定现场设备集中的地点安放，能更好地确保长期的、无故障的可扩展性。

在图2中，原有的Wireless HART网络仅有画面中部的4台无线现场设备和1个网关，后来新增的无线现场设备都位于原有网关的有效范围外，移动原有网关的位置也达不到规则的要求，因而再添加1个网关，可使网络的综合性能大幅提高（远超过添加1台中继器的效果）。

3.5 添加接入点

接入点是负责从无线现场设备网络接收数据包的设备，是无线现场设备与网关之间的桥梁。如果系统规模很小，网关可以直接连接无线现场设备；当系统规模增大时，往往需要有多个接入点，接入点将众多的无线现场设备数据采集后送到网关，这种情况下可以提高网络的有效吞吐量和可靠性。

Wireless HART接入点的一边与Wireless HART网络相连，另外一边是1个外部连接。该外部连接可以是1个以太网、Wi－Fi网络或1个专有网络。Wireless HART接入点不能直接与过程控制系统相连，需通过1个Wireless HART网关或上位机实现与控制系统的连接，这是接入点与网关不同的地方。

由于接入点与网关的相比价格较低，仅从强化网络来说，两者所起作用基本相同。因此，如果有合适的产品，选用添加接入点的方法更经济实惠。

4 结束语

Wireless HART流程无线系统的应用已经从试验走向推广，直接用户和设计人员都需要在实际使用过程中积累经验，也需要通过一些技术资料学习他人的经验，两者相互印证，使实际经验条理化，使得有关流程无线系统网络的知识进一步深化，促进流程无线系统的进一步发展。

［1］方原柏.Wireless HART无线网络规划的现场调查［J］.仪表世界，2013（04）：20－22.

［2］CHEN D，MARK N，MOK A.Wireless HART：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.

［3］方原柏.工业无线网络工程设计探讨［J］.石油化工自动化，2012，48（02）：6－9.

［4］艾默生.用于过程自动化的无线网络技术已经成熟［EB／OL］.（2012 －10 －11）［2014 －02 －20］http：／／www.gongkong.com／company／news／20121011.htm.

［5］方原柏.无线 HART技术［J］.仪表世界，2012（04）：40－42.

［6］黄剑龙，王忠锋，李力刚，等.基于 WIA工业无线网关的设计［J］.化工自动化及仪表，2011，38（10）：1227－1229.

［7］陈小丽.工业无线数据传输技术在储运工程中的应用［J］.石油化工自动化，2013，49（01）：42－46.