WirelessHART基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

方原柏

WirelessHART(無線HART)標(biāo)準(zhǔn)是專為過程監(jiān)視和控制等工業(yè)環(huán)境應(yīng)用所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(IEC)2008年9月19日正式認(rèn)可WirelessHART通信規(guī)范(HART7.1)為公共可用的規(guī)范后，又于2010年4月12日全票表決通過WirelessHART通信規(guī)范成為工業(yè)過程測(cè)量和控制領(lǐng)域的首個(gè)無線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC62591Ed.1.0)。

為了更好地理解WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)，本文從基礎(chǔ)WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)開始介紹，因?yàn)榇笠?guī)模的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)基礎(chǔ)的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)組成。而且在基礎(chǔ)的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)之后，往往是采用有線的方式與控制系統(tǒng)相連，與以往現(xiàn)場(chǎng)I/O與控制系統(tǒng)相連的方式相似，所以基礎(chǔ)的WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)是完成WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 基礎(chǔ)WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)

基礎(chǔ)WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成中，其必不可少的設(shè)備是無線網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一般分為兩類，一類是無線變送器，另一類是有線HART變送器加適配器，適配器的功能是將有線HART變送器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線信號(hào)傳輸，使兩者合成為1臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。當(dāng)一部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離網(wǎng)關(guān)很遠(yuǎn)或受障礙物遮擋無線信號(hào)無法直接被網(wǎng)關(guān)接收時(shí)，可增加中繼器等設(shè)備強(qiáng)化無線信號(hào)傳輸。

2 基礎(chǔ)WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域

網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域取決于網(wǎng)關(guān)容量、現(xiàn)場(chǎng)無線設(shè)備數(shù)量、無線設(shè)備刷新率、現(xiàn)場(chǎng)障礙物分類等因素。

大部分網(wǎng)關(guān)的容量約為100臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，但需要仔細(xì)查看產(chǎn)品說明書。

如艾默生過程管理公司的1420型智能無線網(wǎng)關(guān)說明書中，給出了單一網(wǎng)絡(luò)最大規(guī)模與無線設(shè)備刷新率的相關(guān)數(shù)據(jù)： 刷新率為8 s時(shí)，可接100臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；刷新率為4 s時(shí)，可接50臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；刷新率為2 s時(shí)，可接25臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；刷新率為1 s時(shí)，可接 12臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

在大部分情況下，用戶在綜合快速采樣和電池工作時(shí)間后，通常會(huì)考慮選用無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備刷新率平均值為8 s或更長(zhǎng)時(shí)間，因此，單一網(wǎng)絡(luò)最大規(guī)模可為100臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

但是考慮到無線網(wǎng)絡(luò)增添檢測(cè)點(diǎn)及部分檢測(cè)點(diǎn)可能要求更改為更快刷新率的可能性，設(shè)計(jì)時(shí)可選網(wǎng)關(guān)的負(fù)載率為50%。如果網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的刷新率為8 s或更長(zhǎng)時(shí)間，則可將網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域限制在20～50臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的區(qū)域內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域如果按傳輸距離來考慮，由于在視準(zhǔn)線無障礙條件下的最大傳輸距離為230 m，可將適合的覆蓋區(qū)域限制在200 m×200 m的范圍內(nèi)，這可能是一個(gè)工廠大部分工序的覆蓋范圍。但如果障礙物較多，這個(gè)區(qū)域的面積還應(yīng)該縮小。

2.2 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備選型

最基本的必選設(shè)備是網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可選設(shè)備是中繼器?？筛鶕?jù)用戶的需求首先選擇網(wǎng)關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小且今后擴(kuò)展可能性不大時(shí)，可選1410A型智能無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在20～50臺(tái)無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可選1420型智能無線網(wǎng)關(guān)，如果直接與DeltaV S系列DCS連接，可選DeltaV WIOC型無線網(wǎng)關(guān)。

無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備則根據(jù)用戶所需參數(shù)選擇，比如壓力、溫度、流量、物位、分析、振動(dòng)、腐蝕、聲波傳感器等，其中溫度傳感器有單點(diǎn)及4點(diǎn)之分。如果某個(gè)參數(shù)目前還沒有無線變送器供貨，也可選用HART適配器加變送器，將4～20 mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成無線信號(hào)。

如果覆蓋區(qū)域內(nèi)障礙物較多或個(gè)別信號(hào)測(cè)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)，通常應(yīng)選中繼器，它可以加強(qiáng)無線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域。由于事先很難確定測(cè)點(diǎn)具體位置及信號(hào)實(shí)際傳送情況，也可事先考慮少量中繼器作為備用設(shè)備，作為臨時(shí)應(yīng)急的“輔助”工具，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試出現(xiàn)信號(hào)變差、傳輸達(dá)不到要求時(shí)可臨時(shí)增加中繼器。由于適配器可選帶安裝附件的分離式安裝，所以在遠(yuǎn)離無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的地方可安裝，例如油罐區(qū)液位測(cè)量選用有線HART雷達(dá)液位變送器時(shí)，通過安裝附件可使適配器安裝在遠(yuǎn)離液位變送器的儲(chǔ)罐頂部之上的最佳通信位置，然后借助適配器的路由功能實(shí)現(xiàn)附近無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)的中繼器轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 與控制系統(tǒng)集成

1420型智能無線網(wǎng)關(guān)和主機(jī)控制系統(tǒng)有多種通信協(xié)議的接口，如Modbus， TCP/IP， OPC， EtherNet/IP， HART-IP，以太網(wǎng)等。與DeltaV系統(tǒng)或Ovation系統(tǒng)的集成可以選擇Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是S系列，則可選DeltaV WIOC網(wǎng)關(guān)，可以直接配置在DeltaV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)上。

2.4 無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電

無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備最簡(jiǎn)單的供電方式是采用鋰電池供電，對(duì)于刷新率為4 s，2 s，1 s的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，電池壽命僅為1～3 a，而現(xiàn)階段更換電池的費(fèi)用常常會(huì)超出人們預(yù)期。所以無線設(shè)備供電方式應(yīng)在設(shè)計(jì)階段認(rèn)真考慮。比如在無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝地點(diǎn)附近具備220 V(AC)的場(chǎng)合，可考慮將24 V電源箱接入220 V(AC)電源，向就近的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有線供電，還可以考慮采用太陽能電池供電。

3 工程圖紙的圖形符號(hào)

3.1 總體說明

對(duì)WirelessHART無線網(wǎng)絡(luò)來說，工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

1)因采用了無線技術(shù)，工程設(shè)計(jì)中在WirelessHART無線系統(tǒng)部分通常不再繪制接線圖、接線柜接線圖、電纜表、電纜及橋架敷設(shè)圖等，因此圖紙工作量大幅減少。

2)儀表的圖形符號(hào)基本沒有變化，不管儀表的種類是FF，有線HART還是WirelessHART，圖形符號(hào)表示基本一致。

3)按美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ISA-5.1： 2009規(guī)定[1]，WirelessHART傳輸線的形式是鋸齒波形而不是破折號(hào)。

3.2 不同設(shè)備廠商圖形符號(hào)對(duì)比

在國(guó)外廠商的資料中，圖形符號(hào)的一些細(xì)節(jié)還是有差別的。

3.2.1艾默生過程管理公司

艾默生過程管理公司無線設(shè)備產(chǎn)品圖形圖例符號(hào)執(zhí)行的是IEC62591中相關(guān)規(guī)定，該公司無線設(shè)備產(chǎn)品圖形圖例如圖1所示。在資料IEC 62591WirelessHARTsystemengineeringguide[2]中，給出涉及無線HART系統(tǒng)設(shè)備的符號(hào)及圖例如圖1a)，1b)所示；但在WirelessHART傳輸線的形式由鋸齒波形改為加箭頭的鋸齒波形，而代表無線網(wǎng)關(guān)的圖形由正方形改為長(zhǎng)方形，代表無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的圖形由圓形改為橢圓形，如圖1c)，1d)所示。

圖1 無線設(shè)備產(chǎn)品圖形圖例符號(hào)示意

3.2.2Pepperl+Fuchs公司

Pepperl+Fuchs公司按IEC 62424： 2016[3]Representationofprocesscontrolengineering-requestsindiagramsanddataexchangebetweenP&IDtoolsandPCE-CAEtools中儀表符號(hào)的要求，無線設(shè)備圖形符號(hào)如圖2所示。以圖2中適配器為例，設(shè)備TT1945是1臺(tái)有線HART變送器，設(shè)備YA1945是適配器，所以鋸齒波符號(hào)標(biāo)注在適配器YA1945的右上方。

圖2 無線設(shè)備圖形符號(hào)示意

如果需要將無線設(shè)備連接到帶外部接線的儀表、電源或有線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，則安裝圖例符號(hào)如圖3所示。

圖3 無線設(shè)備連接到帶外部接線圖例符號(hào)示意

3.2.3Endress+Hauser公司

Endress+Hauser公司的圖形符號(hào)與上述2家公司稍有區(qū)別。以2個(gè)斷開的帶正弦波符號(hào)表示無線傳輸，而網(wǎng)關(guān)和無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的圖形符號(hào)均為正六邊形，如圖4所示。

圖4 Endress+Hauser公司圖形圖例示意

4 結(jié)束語

Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能是一個(gè)小規(guī)模的Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)，也可能是由多個(gè)小規(guī)模的Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)組合構(gòu)成大規(guī)模的Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)。因此完成一個(gè)小規(guī)模的Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)，對(duì)于大規(guī)模的Wireless HART無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)具有重要意義。