《工業無線通信系統應用注意事項》介紹用戶采用工業無線通信系統應考慮選用的國際標準、使用現場情況、應用類型、信號類型、基本設備類型、采集點數、現場的障礙物及分布情況、傳輸距離、刷新率和無線網絡與控制系統的連接這10個問題。

文章內容接工業無線通信系統應用注意事項連載二，是《工業無線通信系統應用注意事項》最后一部分內容。

⑥采集點數
用戶采用工業無線通信系統的規模大致由采集點數確定，目前以數十點居多，可稱為小型系統，超過100點到500點之間的可稱為中型系統，再多點數的可稱為大型系統。

小型系統的構成往往比較簡單，絕大多數只是由無線網關和無線現場設備兩類設備組成，多臺無線現場設備分布在生產現場，先由無線網關采集數據后，再通過有線方式將采集信息傳送到控制系統。

為了適應較大規模的現場無線網絡應用，一種方式是采用多個小型現場無線網絡平行接入控制系統(見圖1)，另一種方式是采用多個接入點將大中型現場無線網絡劃分為幾個小型現場無線網絡(見圖2)。

圖1 平行接入控制系統的小型現場無線網絡


圖2 采用多個接入點的大中型現場無線網絡

圖2中，接入點分為2 類: 網格接入點MAP和根接入點RAP，網格接入點與網關有線連接，用于采集該網關所連接無線現場設備的信息，多個網格接入點又以無線Wi-Fi方式將多個現場無線網絡的信息傳送到根接入點，根接入點以有線方式通過管理型交換機與控制系統連接。

接入點有2種工作方式: 一是在在無線現場設備與網關之間增加接入點設備，負責從無線現場設備網絡接收數據包并上傳給網關或下發來自網關的數據，在無線現場設備與網關之間起橋梁作用，此時接入點以無線通信國際標準之一(如WirelessHART、ISA100.11a或WIA-PA)，通過無線通信接收無線現場設備的信息，然后以這種無線通信標準或無線Wi-Fi方式將采集到的信息傳送到網關；二是在在網關(或接入點)與控制系統之間增加接入點設備，負責從網關(或接入點)接收現場無線網絡的數據并上傳給控制系統或下發來自控制系統的數據，在網關(或接入點)與控制系統之間起橋梁作用，與網關的連接可采用有線方式，與接入點則多為無線Wi-Fi方式(見圖2)。多個接入點的加入可以提高整個網絡的有效吞吐量和可靠性，特別適用于要求更快刷新率、更高性能的網絡。

⑦現場的障礙物及分布情況
用戶要對采用工業無線通信系統的現場障礙物情況作調查。工藝裝置使用現場按障礙物的多少和分布情況通常可分為4類。
◆無障礙
沒有障礙物，視線清晰，設備的天線都安裝在障礙物之上，地形變化的角度很小(通常小于5°)。
◆少障礙
有一些基礎設施，但仍有開放的區域，在這類區域里，可以從一個設備看到多個其他設備，罐區是典型的例子，盡管槽罐本身是個大障礙物，但在大量槽罐之間及上方，有良好的射頻傳播空間。
◆中障礙
稠密的環境中仍然有相當大的區域沒有障礙物，如一輛卡車可以通過。
◆多障礙
從一個設備看不到其他設備，區域有很密集的設備、管道和建筑物，不可能駕駛卡車或讓尺寸較大的設備通過。
圖3非常形象地顯示了使用現場按障礙物的分類，可以用經驗判斷實際操作區域大致屬于障礙物中的哪一類，在了解無線通信的有效距離后，根據分類情況決定是否需要增加一些改善通信功能的輔助設備。

圖3 工藝裝置操作區域按障礙物分類

在垂直方向(即不同標高的位置)上，環境中障礙物的密度可能不同甚至相差較大，例如，在樓面附近因布置了大量設備而使障礙物的密度非常高，但離樓面超過一定高度后障礙物的密度變低甚至沒有障礙物。昆明有色冶金設計研究院在內蒙呼倫貝爾馳宏礦業有限公司14萬t/a氧壓浸出系統工程中采用了Wireless HART無線通信技術，現場所有無線現場設備都安裝在室內6m操作平臺上，該操作平臺凈高約10m，由于槽、罐、泵等絕大多數工藝設備和管道都安裝在平臺樓板上方1-3m高度上，在這一高度上障礙物很多，按分類至少應歸于多障礙區域。為了改善通信條件，讓無線網關盡可能與每一臺無線現場設備在直視范圍內無障礙通信，把無線網關安裝在中心區域樓板上方6m的高度上，無線現場設備也安裝在相對高一點的位置上(見圖4)，由于無線網關與無線儀表或無線儀表與無線儀表之間的點對點通信距離不超過230m，因此在DCS顯示畫面上看到無線設備在進行通信傳輸時從未丟失過數據，所顯示的信號強度RSSI均大于-51db，遠高于正常傳輸數據的指標－75db，所以現場無線傳輸的信號非常好。

圖4 在高密度設備上方安裝的多點無線溫度變送器和無線網關(小圖所示)

⑧傳輸距離
工業無線通信網絡的無線現場設備與網關之間的信號傳輸距離取決于所采用的通信標準、天線型式、無線現場設備的發射功率、網關與無線現場設備之間障礙物的狀況。一般來說，在無線現場設備的發射功率為10mW，且內部天線、網關與無線現場設備之間無障礙物的條件下，傳輸距離約200-500m(WirelessHART為230m，ISA100.11a為500m)。對于少障礙、中障礙、多障礙的情況，以WirelessHART為例，傳輸距離將從無障礙的230m減小到150、75、30m。通常可以采用增加路由器、中繼器等方法或將無線現場設備設置為有路由功能的設備，通過轉接方式將無線現場設備的信號傳送到網關，以延長傳輸距離。特殊情況下，還可以采用外接天線的方法延長傳輸距離。

⑨刷新率
刷新率是指無線現場設備檢測測量值并向網關發送測量值的時間間隔，即在接收端接收到的信息更新一次所需時間。現階段無線現場設備的刷新率一般有1、2、4、8、16、32(或30)s和1-60min可選，未來將有0.2、0.5s的選擇。

無線現場設備多采用鋰電池供電，其使用壽命一般可達1-10年，壽命的長短取決于無線現場設備的種類、刷新率和是否承擔路由功能。由于電源模塊一般不能從市場采購，而由廠家供貨的電源模塊備件價格昂貴，所以應考慮使電源模塊使用壽命至少達到5年，這樣刷新率應設置為30s或更長。

刷新率選擇要點如下:
◆典型的安全和控制應用無線現場設備的
刷新率可能需要1s或更快，刷新率要比監測閉環控制和某些類型監督控制過程的時間常數快4-10倍。
◆用于監測和開環控制應用無線現場設備的刷新率要比過程時間常數快3-4倍，如溫度變送器采用帶保護套管的熱電偶，熱量穿透保護
套管讓測量溫度變化可能需要16s或更長的時間，過程時間常數可能超過60s或更長，盲目選擇8s或更快的刷新率就完全沒有必要。
◆刷新率超過4s對接入一個網關無線現場設備的總數影響較大，設計選用時應特別慎重。以WirelessHART無線網關為例，名義上可接入 100臺無線現場設備，但當無線現場設備均選用4s刷新率時，其接入無線現場設備的容量將降為25臺。
◆無線現場設備刷新率和電池壽命之間有一個權衡，更快的刷新率將導致較短的電池壽命，每臺設備應該有一個合適的刷新率，以支持電池使用的長壽命，從而降低維護量。以WirelessHART 848T無線多點溫度變送器為例，當刷新率為4s時，其電源模塊壽命僅0.7年，而當刷新率為60s時，其電源模塊壽命可達到6.3年。如果無線現場設備是外部供電或有太陽能供電之類的能量采集設備，或者電池的壽命不是用戶的關注點，那么可以考慮更快的刷新率。

⑩無線網絡與控制系統的連接
如前所述，無線網絡與控制系統最終連接時，可以通過Modbus TCP、Modbus RTU、OPC或以太網等有線方式連接，前面已經介紹了可以通過現場無線網絡的網關，也可以通過根接入點與控制系統連接。一些主流廠家的控制系統提供了系統內部連接的無線I/O卡，可以像設置普通I/O卡一樣設置無線I/O卡，這樣的控制系統可直接通過無線 I/O 卡接入現場無線網絡的所有信息。在艾默生過程管理公司的DeltaV 控制系統里，從DeltaV11版開始，提供了DeltaV S系列無線I/O卡和781無線遠程鏈路組成的完全冗余的WirelessHART解決方案(見圖5)，可與所有的DeltaV和AMS的應用實現本地節點集成。

圖5 WirelessHART工業無線通信系統通過DeltaV控制系統的本地節點集成

圖5 WirelessHART工業無線通信系統通過DeltaV控制系統的本地節點集成以上總結的采用工業無線通信系統之前要考慮的10件事，并無先后、主次之分，對初步使用工業無線通信系統的用戶，如果事先考慮過這些事項，就可有所準備，也便于與設計、供貨、安裝等單位技術人員交流。應用中也許還有10件事以外的問題，但相對次要，可在系統實施過程中邊干邊學。
作者：方原柏，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院教授級高級工程師，昆明儀器儀表學會副理事長，冶金自動化、衡器、自動化信息等雜志編委