WirelessHART基础无线网络设计

方原柏

WirelessHART(无线HART)标准是专为过程监视和控制等工业环境应用所设计的无线传感器网络标准，国际电工标准委员会(IEC)2008年9月19日正式认可WirelessHART通信规范(HART7.1)为公共可用的规范后，又于2010年4月12日全票表决通过WirelessHART通信规范成为工业过程测量和控制领域的首个无线国际标准(IEC62591Ed.1.0)。

为了更好地理解WirelessHART无线网络，本文从基础WirelessHART无线网络开始介绍，因为大规模的WirelessHART无线网络是由多个基础的WirelessHART无线网络组成。而且在基础的WirelessHART无线网络之后，往往是采用有线的方式与控制系统相连，与以往现场I/O与控制系统相连的方式相似，所以基础的WirelessHART无线网络是完成WirelessHART无线网络设计的关键。

1 基础WirelessHART无线网络

基础WirelessHART无线网络构成中，其必不可少的设备是无线网关和无线现场设备。无线现场设备一般分为两类，一类是无线变送器，另一类是有线HART变送器加适配器，适配器的功能是将有线HART变送器的信号转换成无线信号传输，使两者合成为1台无线现场设备。当一部分现场设备距离网关很远或受障碍物遮挡无线信号无法直接被网关接收时，可增加中继器等设备强化无线信号传输。

2 基础WirelessHART无线网络工程设计

2.1 网络的覆盖区域

网络的覆盖区域取决于网关容量、现场无线设备数量、无线设备刷新率、现场障碍物分类等因素。

大部分网关的容量约为100台无线现场设备，但需要仔细查看产品说明书。

如艾默生过程管理公司的1420型智能无线网关说明书中，给出了单一网络最大规模与无线设备刷新率的相关数据： 刷新率为8 s时，可接100台无线现场设备；刷新率为4 s时，可接50台无线现场设备；刷新率为2 s时，可接25台无线现场设备；刷新率为1 s时，可接 12台无线现场设备。

在大部分情况下，用户在综合快速采样和电池工作时间后，通常会考虑选用无线现场设备刷新率平均值为8 s或更长时间，因此，单一网络最大规模可为100台无线现场设备。

但是考虑到无线网络增添检测点及部分检测点可能要求更改为更快刷新率的可能性，设计时可选网关的负载率为50%。如果网络中绝大多数无线现场设备的刷新率为8 s或更长时间，则可将网络的覆盖区域限制在20～50台无线现场设备的区域内。

网络的覆盖区域如果按传输距离来考虑，由于在视准线无障碍条件下的最大传输距离为230 m，可将适合的覆盖区域限制在200 m×200 m的范围内，这可能是一个工厂大部分工序的覆盖范围。但如果障碍物较多，这个区域的面积还应该缩小。

2.2 网络的设备选型

最基本的必选设备是网关和无线现场设备，可选设备是中继器。可根据用户的需求首先选择网关，如网络规模小且今后扩展可能性不大时，可选1410A型智能无线网关，网络规模在20～50台无线现场设备可选1420型智能无线网关，如果直接与DeltaV S系列DCS连接，可选DeltaV WIOC型无线网关。

无线现场设备则根据用户所需参数选择，比如压力、温度、流量、物位、分析、振动、腐蚀、声波传感器等，其中温度传感器有单点及4点之分。如果某个参数目前还没有无线变送器供货，也可选用HART适配器加变送器，将4～20 mA信号转换成无线信号。

如果覆盖区域内障碍物较多或个别信号测点距离网关较远，通常应选中继器，它可以加强无线现场网络、扩大网络覆盖区域。由于事先很难确定测点具体位置及信号实际传送情况，也可事先考虑少量中继器作为备用设备，作为临时应急的“辅助”工具，当现场测试出现信号变差、传输达不到要求时可临时增加中继器。由于适配器可选带安装附件的分离式安装，所以在远离无线现场设备的地方可安装，例如油罐区液位测量选用有线HART雷达液位变送器时，通过安装附件可使适配器安装在远离液位变送器的储罐顶部之上的最佳通信位置，然后借助适配器的路由功能实现附近无线现场设备信号的中继器转发。

2.3 与控制系统集成

1420型智能无线网关和主机控制系统有多种通信协议的接口，如Modbus， TCP/IP， OPC， EtherNet/IP， HART-IP，以太网等。与DeltaV系统或Ovation系统的集成可以选择Modbus或OPC的方式，如果DeltaV是S系列，则可选DeltaV WIOC网关，可以直接配置在DeltaV系统的控制网络上。

2.4 无线现场设备供电

无线现场设备最简单的供电方式是采用锂电池供电，对于刷新率为4 s，2 s，1 s的无线现场设备，电池寿命仅为1～3 a，而现阶段更换电池的费用常常会超出人们预期。所以无线设备供电方式应在设计阶段认真考虑。比如在无线现场设备安装地点附近具备220 V(AC)的场合，可考虑将24 V电源箱接入220 V(AC)电源，向就近的无线现场设备有线供电，还可以考虑采用太阳能电池供电。

3 工程图纸的图形符号

3.1 总体说明

对WirelessHART无线网络来说，工程图纸设计有以下特点：

1)因采用了无线技术，工程设计中在WirelessHART无线系统部分通常不再绘制接线图、接线柜接线图、电缆表、电缆及桥架敷设图等，因此图纸工作量大幅减少。

2)仪表的图形符号基本没有变化，不管仪表的种类是FF，有线HART还是WirelessHART，图形符号表示基本一致。

3)按美国国家标准ANSI/ISA-5.1： 2009规定[1]，WirelessHART传输线的形式是锯齿波形而不是破折号。

3.2 不同设备厂商图形符号对比

在国外厂商的资料中，图形符号的一些细节还是有差别的。

3.2.1艾默生过程管理公司

艾默生过程管理公司无线设备产品图形图例符号执行的是IEC62591中相关规定，该公司无线设备产品图形图例如图1所示。在资料IEC 62591WirelessHARTsystemengineeringguide[2]中，给出涉及无线HART系统设备的符号及图例如图1a)，1b)所示；但在WirelessHART传输线的形式由锯齿波形改为加箭头的锯齿波形，而代表无线网关的图形由正方形改为长方形，代表无线现场设备的图形由圆形改为椭圆形，如图1c)，1d)所示。

图1 无线设备产品图形图例符号示意

3.2.2Pepperl+Fuchs公司

Pepperl+Fuchs公司按IEC 62424： 2016[3]Representationofprocesscontrolengineering-requestsindiagramsanddataexchangebetweenP&IDtoolsandPCE-CAEtools中仪表符号的要求，无线设备图形符号如图2所示。以图2中适配器为例，设备TT1945是1台有线HART变送器，设备YA1945是适配器，所以锯齿波符号标注在适配器YA1945的右上方。

图2 无线设备图形符号示意

如果需要将无线设备连接到带外部接线的仪表、电源或有线现场设备上，则安装图例符号如图3所示。

图3 无线设备连接到带外部接线图例符号示意

3.2.3Endress+Hauser公司

Endress+Hauser公司的图形符号与上述2家公司稍有区别。以2个断开的带正弦波符号表示无线传输，而网关和无线现场设备的图形符号均为正六边形，如图4所示。

图4 Endress+Hauser公司图形图例示意

4 结束语

Wireless HART无线网络实际应用时可能是一个小规模的Wireless HART无线网络，也可能是由多个小规模的Wireless HART无线网络组合构成大规模的Wireless HART无线网络。因此完成一个小规模的Wireless HART无线网络工程设计，对于大规模的Wireless HART无线网络建设具有重要意义。