淺談如何設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的WIA—PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

摘 要：本文介紹了如何從項(xiàng)目前期，即理論設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的WIA-PA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。WIA-PA是面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是中國(guó)工業(yè)無(wú)線聯(lián)盟針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的用于工業(yè)過(guò)程測(cè)量、監(jiān)視與控制的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)先后成為中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：WIA-PA；無(wú)線技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）14-0285-01

1 技術(shù)背景

近些年，隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的增強(qiáng)，越來(lái)越多的無(wú)線產(chǎn)品應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)領(lǐng)域。而無(wú)線技術(shù)以其特有的技術(shù)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的有線技術(shù)形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，推動(dòng)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

無(wú)線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以大幅縮減項(xiàng)目的成本、時(shí)間和復(fù)雜性，可擴(kuò)展性更強(qiáng)，不受有線的束縛，安裝自由度更高，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的能力更強(qiáng)。但相比于傳統(tǒng)的有線技術(shù)，很多人對(duì)其通信的可靠性提出了質(zhì)疑，其實(shí)只要充分了解無(wú)線通信技術(shù)的原理，做出合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和工程實(shí)施，就可以保證無(wú)線通信的可靠性。

WIA-PA是一種經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證的、適合于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境應(yīng)用的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它在時(shí)間上（時(shí)分多址TDMA）、頻率上（巧妙的FHSS跳頻機(jī)制）和空間上（基于網(wǎng)狀及星型混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬傻目煽柯窂絺鬏敚┑木C合靈活性，使這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單但又很有效的協(xié)議具有嵌入式的自組織和自愈能力，大大降低了安裝的復(fù)雜性，確保了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)期而且可預(yù)期的性能。

2 適合的應(yīng)用范圍

建立一個(gè)穩(wěn)定的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，首先要根據(jù)無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)，從項(xiàng)目成本，施工維護(hù)，后期擴(kuò)展等方面，明確哪些項(xiàng)目適合應(yīng)用無(wú)線技術(shù)，哪些問(wèn)題適合用無(wú)線技術(shù)解決。一般地，無(wú)線技術(shù)最適合應(yīng)用在過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。從保守角度考慮，不推薦應(yīng)用于控制系統(tǒng)。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)對(duì)控制的響應(yīng)時(shí)間要求較高，一般都要求在1s以?xún)?nèi)，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)受網(wǎng)絡(luò)容量、電池壽命等多方面限制，響應(yīng)時(shí)間一般都在1s以上。

3 合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

一旦確定了項(xiàng)目將要使用無(wú)線設(shè)備，即可開(kāi)始無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一般分為3級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分別為網(wǎng)關(guān)、路由、節(jié)點(diǎn)。小規(guī)模的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也可省去路由，變?yōu)?級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Mesh和星型相結(jié)合。

網(wǎng)關(guān)是整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)管理該網(wǎng)關(guān)下的所有無(wú)線設(shè)備，并將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換成有線信號(hào)。路由是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中繼站，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可靈活布放安裝，有效的躲避障礙物，拓展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，冗余無(wú)線通信路徑。節(jié)點(diǎn)是基礎(chǔ)信息的收集器，通過(guò)傳感器采集需要的參數(shù)信息，將其轉(zhuǎn)化成無(wú)線信號(hào)。

（1）應(yīng)按照工藝單元選出測(cè)試點(diǎn)，確定每個(gè)工藝單元需要多少個(gè)測(cè)試點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)應(yīng)按工藝單元來(lái)布局，或者根據(jù)子工藝單元來(lái)布局。設(shè)備分布情況可用于確定所需網(wǎng)關(guān)的數(shù)量。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的最快數(shù)據(jù)刷新頻率來(lái)確定網(wǎng)關(guān)容量。

（3）根據(jù)技術(shù)規(guī)范或項(xiàng)目其他需求，可增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量來(lái)確保備用的網(wǎng)絡(luò)容量。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的布局，應(yīng)該以網(wǎng)關(guān)為核心點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)下的子節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)關(guān)為中心布局部署。這樣可以保證節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)最少，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咏选?/p>

網(wǎng)關(guān)一般部署在工藝單位監(jiān)控室樓頂，這里可以為網(wǎng)關(guān)提供電源和必要的數(shù)據(jù)接口，使網(wǎng)關(guān)更加方便的接入有線系統(tǒng)。

4 有效的傳輸距離

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離與無(wú)線頻率、環(huán)境障礙物、天線增益、天線角度、其他干擾等因素有關(guān)。這里的有效距離是指無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在工藝環(huán)境中兩臺(tái)設(shè)備間的直線距離。一般情況下，如果設(shè)備之間沒(méi)有障礙，清晰可見(jiàn)，安裝高度距地面2～10m時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備間的有效距離為500m以上。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為自組織網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)兩次信號(hào)跳躍傳輸后（即一臺(tái)設(shè)備發(fā)出的通信信號(hào)通過(guò)第二臺(tái)設(shè)備進(jìn)行發(fā)送才到達(dá)網(wǎng)關(guān)），因此有效距離可達(dá)到1000m。障礙物將減小設(shè)備有效距離。大部分過(guò)程環(huán)境中都有密集的金屬管線，會(huì)反射一部分射頻信號(hào)，因而減弱無(wú)線信號(hào)。下面為三種情況下的有效距離：

重度障礙：50m。這是典型的高密度廠區(qū)環(huán)境?？ㄜ?chē)或類(lèi)似設(shè)備不能駕駛穿過(guò)。

中等障礙：100m。這是障礙稍微少一些的過(guò)程區(qū)域，設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施之間有大量空間。

輕度障礙：300m。典型的在油庫(kù)環(huán)境重。雖然油庫(kù)本身就是障礙物，但儲(chǔ)罐之間和上方的巨大空間比較有利于信號(hào)的傳輸。

設(shè)備可視：500m。設(shè)備之間沒(méi)有任何障礙，設(shè)備安裝在距離地面或障礙物至少2m的地方。

5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為MESH、星型、MESH和星型相結(jié)合。規(guī)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)應(yīng)注意以下原則：

在設(shè)備有效距離范圍內(nèi)，每臺(tái)WIA-PA設(shè)備周邊應(yīng)配備至少3個(gè)設(shè)備鄰居。這樣可確保網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)至少有兩條通信線路，并且隨時(shí)可更能更換通信路徑。

每個(gè)多余5臺(tái)設(shè)備的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)，至少應(yīng)有25%的設(shè)備處于網(wǎng)關(guān)的有效距離范圍內(nèi)，以確保足夠的帶寬并消除瓶頸點(diǎn)。實(shí)際上，即使只有10%的設(shè)備處于網(wǎng)關(guān)有效距離內(nèi)，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)也可以工作，但實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受到影響。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出25%是比較合理的比例。比如，一個(gè)擁有100臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，需要有25臺(tái)設(shè)備處于網(wǎng)關(guān)的有效距離范圍內(nèi)。

路由的合理應(yīng)用，可以擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加通信的冗余路徑，保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的健壯性。同時(shí)靈活的安裝，可以使原來(lái)兩個(gè)受遮擋的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)可靠的通信。

6 備用容量和擴(kuò)展

在有線采集的項(xiàng)目中，一般需要提供備用硬件（編組、I/O卡和終端等）和備用空間。備用容量一般介于20～30%。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，這個(gè)情況有所不同，原因是不存在柜體編組、I/O卡或終端?？梢酝ㄟ^(guò)增加網(wǎng)關(guān)來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)容量。

7 網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化

建議通過(guò)改變?cè)O(shè)備的有效范圍對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，以確定網(wǎng)絡(luò)的潛在安全漏洞。進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，可將設(shè)備的有效距離降低10%。例如，假設(shè)初始設(shè)計(jì)的設(shè)備有效范圍為100m，現(xiàn)將有效范圍減少10m，以便發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在的薄弱環(huán)節(jié)。在這一點(diǎn)上，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員來(lái)確定施加強(qiáng)度的程度和強(qiáng)度遞減的極限。

8 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，正在逐步地走向成熟穩(wěn)定，以其獨(dú)有的特點(diǎn)被越來(lái)越多的用戶(hù)所接受。應(yīng)用時(shí)只有初步掌握其特性，按照以上方法設(shè)計(jì)，不盲目施工，就能夠得到一個(gè)穩(wěn)定的WIA-PA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻(xiàn)

[1]《工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA規(guī)范第1部分：用于過(guò)程自動(dòng)化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范》.

[2]中科奧維公司《WIA-PA_系統(tǒng)工程指南》.

收稿日期：2018-4-14