1、概述
WirelessHART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WirelessHART流程无线系统的迫切愿望，其中对WirelessHART流程无线系统网络设计的要求令人非常关注。
在WirelessHART流程无线系统网络的资料中，曾多次涉及到网络的设计规则，这些规则虽然大处相同，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 62591 WirelesSHART® System Engineering Guide (Revision 3.0)， WirelesSHART系统工程指南”中推荐了4条基本的设计规则，本文以此为主要内容，又结合另一些资料，增加到6条。首先叙述这6条规则，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？最后介绍了为达到规则要求强化网络的几条措施。
2、WirelessHART网络设计规则
2.1 最少5台设备的规则
每个WirelessHART网络在网关的有效范围内应该至少有5台WirelessHART现场设备。每个WirelessHART网络至少5台 WirelessHART现场设备，这样在正常工作时，由于每台 WirelessHART现场设备同时也是路由器，可以为网络内其他现场设备路由，即可充分发挥WirelessHART网络内在的冗余功能，实现网络可靠的工作。当新的WirelessHART设备需要添加到网络中时，可通过现有的至少5台WirelessHART现场设备的路由加入。
一些WirelessHART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已预先组态，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，使用户能够快速而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。这些智能无线现场启动包的点数不多，但均要求至少5台或5台以上WirelessHART现场设备，如艾默生过程管理公司为用户推出的智能无线现场启动包和ABB公司的FieldKey入门套件，就是为了满足本规则的要求。
2.2 3个邻居的规则
每个WirelessHART网络现场设备在有效范围内应该最少有3个邻居（邻居即相邻设备的俗称），在现场设备互连的情况随时间有可能发生变化时，这可确保将至少有2台能连接。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，万一某些移动设备对无线现场设备的传输路径形成障碍，那至少还有2台相邻的设备可以提供传输路径。所以设计时“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，以保证路径的冗余性和多样性。
当无线现场设备只有一个邻居时，如因为某种原因与这个唯一的邻居通信断开时，这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，每个设备必须有两个相邻设备。如果一个相邻设备故障，第二个相邻设备接管并提供WirelessHART网络连接。但是一个真正强大的网状网络的最佳实践是检查每个设备有三个邻居，由于在两台邻居故障时仍然提供网络连接，这给出了一个特别高的冗余级别。
2.3 百分比的规则
每个WirelessHART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，一个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％的无线设备刷新率快于2s，应该在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，优点是减少数据无线传输的跳数（跳数指的是从数据源经过中间路由器的传递到达网关过程中中间路由器的个数，如经过4个中间路由器，则可称跳数为4），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，同时电池能量的消耗减少，可延长电池的使用寿命。
当20％的无线设备刷新率快于2s的网络，出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，应该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WirelessHART网关与无线现场设备之间信号传输良好时的直线距离，当然，如果无线现场设备之间相互路由，其有效范围同网关有效范围是相同的。通常情况下，如果WirelessHART网关与WirelessHART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。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，障碍物使网关有效范围减少。下面是在工艺过程环境中网关有效距离的4个基本类别：
• 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。
• 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。
• 轻度障碍—152m，这是低密度的工厂环境，槽罐区是典型，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。
• 视线清晰—228m，这是无障碍物的工厂环境，而设备的天线是安装在障碍物之上，地形的变化的角度小于5º。
WirelessHART的一些厂商为更长距离的应用提供了选项和技术。
2.4 最大距离的规则
刷新率超过2s的无线设备与网关的距离应该在网关2倍有效范围内，这一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。
这一条与上一条的规则有部分相似，但上一条规定的是全部无线现场设备（包括20％或更多的刷新率快于2s的无线设备和其余刷新率较低的无线设备），本条规定则只对刷新率快于2s的无线设备做了规定，要求他们与网关的距离在2倍网关有效范围内。也就是说，要求刷新率快于2s的无线设备要么在网关有效范围内，能直接与网关通信而无需路由；要么在2倍网关有效范围内，仅仅只需通过一台中间路由器的路由，一“跳”就可以将数据传送到网关。这样做的目的仍然是是减少数据无线传输的跳数，加快数据刷新速度。
2.5 路径稳定性的规则
刷新率低于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。一般要求是60％的路径稳定性，达到70％可以被推荐用于控制和高速监控。
我们知道，某台无线设备传送到网关的数据要求有多条路径，由于WirelessHART网络的自组织、自适应功能，实际传输的路径随时都可能产生变化，如果这多条路径中的某一条是传输数据最频繁的，那么这一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 刷新率低于2s，其传输数据到网关（左下方设备）的路径有2-1-3、2-3、2-3-5、2-4、2-4-5等多条，如果经测试5条路径稳定性的测量值分别为5%、75%、1%、15%、4%等，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 路径稳定性示意图
大多数WirelessHART的供应商提供安装后的检验手段，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。
2.6 最多7“跳”的规则
最多7“跳”原则，这是在技术交流会上艾默生过程管理的无线技术专家介绍的，大体意思是一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。
3、WirelessHART网络设计规则的突破
由于上述规则是针对无线数据传送可靠性特别高的要求制定的，当降低一点标准用于无线数据传送可靠性一般的场合，一部分规则又是可以“突破”的。
3.1 最少5台设备的规则
少于5台 WirelessHART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[2]。
如图2是一个简单的设计实例。在工艺配置图上，网络是针对一个工艺单元，已放置4 台WirelessHART无线现场设备与网关。围绕网关的圆圈代表网关有效范围。在这个例子中，我们看到了在网关的有效范围内仅有4台设备。虽然达不到最少5台设备的规则的要求，但从图上看，4 台WirelessHART无线现场设备离圆圈的边缘较远，离网关的距离较近，都可以直接与网关通信，这4台设备可以互为邻居，所以这个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，它也是最佳的。
图2 最少5个的规则被“突破”的实例
对于大多数WirelessHART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。
3.2 3个邻居的规则
3个邻居的规则是要确保每一台无线现场设备在任何时候能与2台无线现场设备连接，因此，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[3]。当无线现场设备是在网络的外周边而数据不重要时，一个邻居也可以接受。
3.3 百分比的规则
每个WirelessHART网络应该至少有25％的设备在网关的有效范围内，这一比例低至10％，WirelessHART网络也能工作。
当网络的规模比较小的时候，最少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，最少5台的规则肯定能满足，而3个邻居的规则通常也能满足，此时因检测点数增多，开始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。
4、强化网络的措施
当实际WirelessHART网络满足不了WirelessHART网络设计规则时，或者在现场进行测试确定网络设计中可能存在缺陷时，需采取措施强化WirelessHART网络，通常可以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。
4.1 在网关的有效范围内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，无疑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，是强化网络最主要、最基本的措施。
4.2 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的，或者是扩大网络覆盖区域的一种无线现场设备。添加中继器的本质仍然是“在网关的有效范围内添加更多的无线现场设备”，只不过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。而中继器的功能只是强化网络，他替代另外的具有特定测量用途的WirelessHART设备，可以使网络内任何一台WirelessHART设备提供更多的连接路径。
他可以在需要时就添加，而且其安装位置不受有特定测量用途的WirelessHART设备的限制，可以在任意位置安装。比如可以安装在高处，躲开密集的障碍物，提供与更多无线现场设备的直接路由，可使有效范围最大化，最大限度地优化网络（见图3）。
图3 安装在高处的中继器
但是在很多WirelessHART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，这个时候我们既可以选用如爱默生过程管理的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），也可以选用各家公司生产的适配器作为中继器的替代方案。因为WirelessHART无线现场设备有一个特点，他不仅仅是一台无线参数变送器，同时还是一台路由器，更是一台中继器，当然它也可以只作为中继器来使用。
如果使用本地电源，中继器（包括WirelessHART适配器）的费用可以节省一些。
4.3 移动网关位置
将网关移动到WirelessHART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离安装控制系统的控制室外的墙上或屋顶上，这里不一定是WirelessHART仪表分布相对最集中的位置，移动一下网关，可能与控制系统的有线连接距离稍长，但对强化网络来说好处更多一些。
4.4 添加另一个网关
添加另一个网关，这增加了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4中，原有的WirelessHART网络仅有画面中部的5台无线现场设备和一个网关，后来新增了右下方十余台无线现场设备，他们都位于原有网关的的有效范围外，移动原有网关的位置也达不到规则的要求，后添加了另一个网关，使网络的综合性能大大提高（远远超过添加一台中继器的效果）。比当网络的百分比的规则、最大距离的规则、最多7“跳”的规则等原有网关达不到要求时，添加了另一个网关后，可能问题都能解决。 图4 添加另一个网关的过程实例
4.5 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，起无线现场设备与网关之间的桥梁作用。如果系统规模很小，网关可以直接连接为数不多的无线现场设备；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。
WirelessHART接入点的一边与WirelessHART网络相连，另外一边是一个外部连接。这个外部连接可以是一个以太网、Wi- Fi网络或一个专有网络。WirelessHART接入点不能直接与过程控制系统相连，而是通过一个WirelessHART网关和上位机或控制系统的连接，这是接入点与网关不同的地方。虽然有关的书籍介绍了WirelessHART的设备类型中有这一类产品，但在WirelessHART生产厂家的产品中，目前尚未见到实际的产品。
由于接入点与网关的价格相比较低，仅从完成强化网络来说，两者所起作用基本相同，所以如果有合适的产品，选用添加接入点的方法无疑更经济实惠。
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