《工业无线通信系统应用注意事项》介绍用户采用工业无线通信系统应考虑选用的国际标准、使用现场情况、应用类型、信号类型、基本设备类型、采集点数、现场的障碍物及分布情况、传输距离、刷新率和无线网络与控制系统的连接这10个问题。

文章内容接工业无线通信系统应用注意事项连载二，是《工业无线通信系统应用注意事项》最后一部分内容。

⑥采集点数
用户采用工业无线通信系统的规模大致由采集点数确定，目前以数十点居多，可称为小型系统，超过100点到500点之间的可称为中型系统，再多点数的可称为大型系统。

小型系统的构成往往比较简单，绝大多数只是由无线网关和无线现场设备两类设备组成，多台无线现场设备分布在生产现场，先由无线网关采集数据后，再通过有线方式将采集信息传送到控制系统。

为了适应较大规模的现场无线网络应用，一种方式是采用多个小型现场无线网络平行接入控制系统(见图1)，另一种方式是采用多个接入点将大中型现场无线网络划分为几个小型现场无线网络(见图2)。

图1 平行接入控制系统的小型现场无线网络


图2 采用多个接入点的大中型现场无线网络

图2中，接入点分为2 类: 网格接入点MAP和根接入点RAP，网格接入点与网关有线连接，用于采集该网关所连接无线现场设备的信息，多个网格接入点又以无线Wi-Fi方式将多个现场无线网络的信息传送到根接入点，根接入点以有线方式通过管理型交换机与控制系统连接。

接入点有2种工作方式: 一是在在无线现场设备与网关之间增加接入点设备，负责从无线现场设备网络接收数据包并上传给网关或下发来自网关的数据，在无线现场设备与网关之间起桥梁作用，此时接入点以无线通信国际标准之一(如WirelessHART、ISA100.11a或WIA-PA)，通过无线通信接收无线现场设备的信息，然后以这种无线通信标准或无线Wi-Fi方式将采集到的信息传送到网关；二是在在网关(或接入点)与控制系统之间增加接入点设备，负责从网关(或接入点)接收现场无线网络的数据并上传给控制系统或下发来自控制系统的数据，在网关(或接入点)与控制系统之间起桥梁作用，与网关的连接可采用有线方式，与接入点则多为无线Wi-Fi方式(见图2)。多个接入点的加入可以提高整个网络的有效吞吐量和可靠性，特别适用于要求更快刷新率、更高性能的网络。

⑦现场的障碍物及分布情况
用户要对采用工业无线通信系统的现场障碍物情况作调查。工艺装置使用现场按障碍物的多少和分布情况通常可分为4类。
◆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，地形变化的角度很小(通常小于5°)。
◆少障碍
有一些基础设施，但仍有开放的区域，在这类区域里，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。
◆中障碍
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。
◆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。
图3非常形象地显示了使用现场按障碍物的分类，可以用经验判断实际操作区域大致属于障碍物中的哪一类，在了解无线通信的有效距离后，根据分类情况决定是否需要增加一些改善通信功能的辅助设备。

图3 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，在楼面附近因布置了大量设备而使障碍物的密度非常高，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。昆明有色冶金设计研究院在内蒙呼伦贝尔驰宏矿业有限公司14万t/a氧压浸出系统工程中采用了Wireless HART无线通信技术，现场所有无线现场设备都安装在室内6m操作平台上，该操作平台净高约10m，由于槽、罐、泵等绝大多数工艺设备和管道都安装在平台楼板上方1-3m高度上，在这一高度上障碍物很多，按分类至少应归于多障碍区域。为了改善通信条件，让无线网关尽可能与每一台无线现场设备在直视范围内无障碍通信，把无线网关安装在中心区域楼板上方6m的高度上，无线现场设备也安装在相对高一点的位置上(见图4)，由于无线网关与无线仪表或无线仪表与无线仪表之间的点对点通信距离不超过230m，因此在DCS显示画面上看到无线设备在进行通信传输时从未丢失过数据，所显示的信号强度RSSI均大于-51db，远高于正常传输数据的指标－75db，所以现场无线传输的信号非常好。

图4 在高密度设备上方安装的多点无线温度变送器和无线网关(小图所示)

⑧传输距离
工业无线通信网络的无线现场设备与网关之间的信号传输距离取决于所采用的通信标准、天线型式、无线现场设备的发射功率、网关与无线现场设备之间障碍物的状况。一般来说，在无线现场设备的发射功率为10mW，且内部天线、网关与无线现场设备之间无障碍物的条件下，传输距离约200-500m(WirelessHART为230m，ISA100.11a为500m)。对于少障碍、中障碍、多障碍的情况，以WirelessHART为例，传输距离将从无障碍的230m减小到150、75、30m。通常可以采用增加路由器、中继器等方法或将无线现场设备设置为有路由功能的设备，通过转接方式将无线现场设备的信号传送到网关，以延长传输距离。特殊情况下，还可以采用外接天线的方法延长传输距离。

⑨刷新率
刷新率是指无线现场设备检测测量值并向网关发送测量值的时间间隔，即在接收端接收到的信息更新一次所需时间。现阶段无线现场设备的刷新率一般有1、2、4、8、16、32(或30)s和1-60min可选，未来将有0.2、0.5s的选择。

无线现场设备多采用锂电池供电，其使用寿命一般可达1-10年，寿命的长短取决于无线现场设备的种类、刷新率和是否承担路由功能。由于电源模块一般不能从市场采购，而由厂家供货的电源模块备件价格昂贵，所以应考虑使电源模块使用寿命至少达到5年，这样刷新率应设置为30s或更长。

刷新率选择要点如下:
◆典型的安全和控制应用无线现场设备的
刷新率可能需要1s或更快，刷新率要比监测闭环控制和某些类型监督控制过程的时间常数快4-10倍。
◆用于监测和开环控制应用无线现场设备的刷新率要比过程时间常数快3-4倍，如温度变送器采用带保护套管的热电偶，热量穿透保护
套管让测量温度变化可能需要16s或更长的时间，过程时间常数可能超过60s或更长，盲目选择8s或更快的刷新率就完全没有必要。
◆刷新率超过4s对接入一个网关无线现场设备的总数影响较大，设计选用时应特别慎重。以WirelessHART无线网关为例，名义上可接入 100台无线现场设备，但当无线现场设备均选用4s刷新率时，其接入无线现场设备的容量将降为25台。
◆无线现场设备刷新率和电池寿命之间有一个权衡，更快的刷新率将导致较短的电池寿命，每台设备应该有一个合适的刷新率，以支持电池使用的长寿命，从而降低维护量。以WirelessHART 848T无线多点温度变送器为例，当刷新率为4s时，其电源模块寿命仅0.7年，而当刷新率为60s时，其电源模块寿命可达到6.3年。如果无线现场设备是外部供电或有太阳能供电之类的能量采集设备，或者电池的寿命不是用户的关注点，那么可以考虑更快的刷新率。

⑩无线网络与控制系统的连接
如前所述，无线网络与控制系统最终连接时，可以通过Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太网等有线方式连接，前面已经介绍了可以通过现场无线网络的网关，也可以通过根接入点与控制系统连接。一些主流厂家的控制系统提供了系统内部连接的无线I/O卡，可以像设置普通I/O卡一样设置无线I/O卡，这样的控制系统可直接通过无线 I/O 卡接入现场无线网络的所有信息。在艾默生过程管理公司的DeltaV 控制系统里，从DeltaV11版开始，提供了DeltaV S系列无线I/O卡和781无线远程链路组成的完全冗余的WirelessHART解决方案(见图5)，可与所有的DeltaV和AMS的应用实现本地节点集成。

图5 WirelessHART工业无线通信系统通过DeltaV控制系统的本地节点集成

图5 WirelessHART工业无线通信系统通过DeltaV控制系统的本地节点集成以上总结的采用工业无线通信系统之前要考虑的10件事，并无先后、主次之分，对初步使用工业无线通信系统的用户，如果事先考虑过这些事项，就可有所准备，也便于与设计、供货、安装等单位技术人员交流。应用中也许还有10件事以外的问题，但相对次要，可在系统实施过程中边干边学。
作者：方原柏，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院教授级高级工程师，昆明仪器仪表学会副理事长，冶金自动化、衡器、自动化信息等杂志编委