在 過去幾年中，隨著過程工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的開展，設(shè)備級無線網(wǎng)絡(luò)是一個重要的實施元素，將更高級別的網(wǎng)絡(luò)擴展到過程本身。在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域普遍采用WiFi 無線以太網(wǎng)，但是過程工業(yè)綜合體擁有大量使用模擬和數(shù)字現(xiàn)場總線通信的現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器。這些設(shè)備尚未采用Wi-Fi，并且沒有跡象表明這種情況會在短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化。

現(xiàn)在，設(shè)備級網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始采用無線通信。用于此類應(yīng)用主要采用的是WirelessHART 協(xié)議，自2007 年首次發(fā)布以來，其硬件可用性和部署穩(wěn)步增長，并于2010 年被采用為全球標(biāo)準IEC 62591。

作為WirelessHART 協(xié)議的早期實踐者，艾默生自動化解決方案一直使用WirelessHART協(xié)議提供設(shè)備。其變送器和網(wǎng)關(guān)被安裝在超過38,900 多個網(wǎng)絡(luò)上。該服務(wù)記錄可以解決有關(guān)Wi relessHART 協(xié)議可靠性和性能的相關(guān)疑慮。

由于消除了昂貴的布線， 因此部署WirelessHART 協(xié)議可以降低儀器安裝成本。在現(xiàn)有煉油廠中增加有線儀器的成本，費用大概在5,000 美元到50,000 美元之間。如果能節(jié)省這些成本，必定受到客戶的歡迎。

盡管如此，重型煉油和石化行業(yè)并不會因一時興起而采用新技術(shù)，即使預(yù)期可以降低75％的成本。鑒于與諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）甚至Wi relessHART 協(xié)議之類復(fù)雜事物相關(guān)的錯誤決策，可能會造成嚴重后果，必須事先對其進行廣泛的審查。企業(yè)的內(nèi)部團隊需要仔細思考新技術(shù)所帶來的風(fēng)險和利弊。他們需要考慮哪些領(lǐng)域適合使用，以及哪些領(lǐng)域應(yīng)該避免使用這些應(yīng)用。

早期， 許多公司必須確認WirelessHART 協(xié)議像所宣傳的那樣可靠且易于使用，因此他們經(jīng)常在其工廠中最不重要的部分進行小規(guī)模的部署以證明這一概念。如今，很少有用戶會這么做，但仍然有些用戶需要更多的證據(jù)來說服。

WirelessHART 協(xié)議的主要目的是消除有線基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)成本和安裝時間。哪些領(lǐng)域可以最有效地使用無線儀器？

無線儀表的選擇和評估流程圖（見圖1）可以為用戶提供更具體的參考。專家們建議應(yīng)該避免將其應(yīng)用于安全應(yīng)用。安全儀表系統(tǒng)（SIS）或儀表保護功能（IPF）應(yīng)繼續(xù)使用有線。

圖1：從左上角開始，可以評估不同類型的儀器應(yīng)用，以確定它們是否適用于WirelessHART 協(xié)議設(shè)備。

如果應(yīng)用程序是回路控制怎么辦？在這里，傳統(tǒng)觀點會再次選擇有線應(yīng)用，但許多人并沒有很快排除無線應(yīng)用。并非所有的控制回路都是關(guān)鍵控制，也并不總是涉及關(guān)鍵報警，因此許多工廠都愿意在這種情況下探索無線網(wǎng)絡(luò)的使用。對于“大于X 年的電池壽命”決策塊，“X”取決于變送器規(guī)格和工廠對更換電池容忍度。決定是否采用無線，則應(yīng)根據(jù)例外批準程序進行，該程序有助于探索有前景的應(yīng)用，否則的話就應(yīng)視為中間地帶。

如果應(yīng)用程序是處于第二層級，則該問題主要與機械有關(guān)。如果設(shè)備以每5 秒甚至更快的速率進行更新，則功耗過高，電源模塊壽命太短（表1）。通常的經(jīng)驗法則表明，無線變送器最快的刷新率應(yīng)為8 秒。那些要求以幾乎恒定的速率刷新的應(yīng)用，也可能被認為需要使用有線儀器。現(xiàn)場經(jīng)驗表明，大多數(shù)WirelessHART 協(xié)議用戶所需要的刷新周期都比較長，通常為60 秒，以最大限度地降低功耗。按照這個速度，內(nèi)部電源模塊可以輕松使用10 年。

表1. 以羅斯蒙特3051S 壓力變送器為例，解釋更新速率對電池壽命的影響程度。

下一步需要確定無線變送器是否可用。這可以定義為由內(nèi)部電源供電的獨立無線變送器。當(dāng)然，這需要將低功耗的傳感器和變送器組合成封裝單元，可從儀表供應(yīng)商處獲得。自WirelessHART 協(xié)議推出以來，可用的選項已經(jīng)大大增加。儀表供應(yīng)商在改善功耗特性方面取得了長足的進步。

電池續(xù)航時間并不相同，這就帶來了下一個問題：電池壽命是否大于“X”年？X 值取決于工廠對維護時間更換電池的容忍度，并且很少有維護經(jīng)理對任何不能可靠運行5 年的事物感興趣。

然而， 并不是每種類型的過程儀器都適合電池供電，因此問題是：是否可以使用適配器？WirelessHART 協(xié)議適配器可以添加到任何HART 5.0 或更新的設(shè)備上。適配器通過網(wǎng)關(guān)將主過程變量和附加數(shù)據(jù)發(fā)送到主機系統(tǒng)。

在某些情況下，將適配器添加到已通過4-20 mA 連接的儀器上，以采集次級變量和診斷數(shù)據(jù)。在其它情況下，適配器被添加到諸如科里奧利流量計之類的儀器中，這些功率消耗對于內(nèi)部電池功率來說太高。適配器通常沒有內(nèi)部電源，因此在某些情況下可能需要為儀器提供接線和適配器裝置以傳輸電源，但不傳輸信號。這通常不是問題。在大多數(shù)過程工廠中，在裝置附近可以使用合適的儀表級直流電源。

因此，如果應(yīng)用程序合適并且機械問題可以解決，則可以繼續(xù)使用WirelessHART 協(xié)議設(shè)備。雖然看起來有點過于嚴峻，但在現(xiàn)實環(huán)境中，實際應(yīng)用的數(shù)量往往要高于最初的預(yù)期。

從基本角度來說， 網(wǎng)關(guān)從WirelessHART 協(xié)議儀器接收數(shù)據(jù)并將其傳送到更大的工廠網(wǎng)絡(luò)和主機系統(tǒng)。由于這會導(dǎo)致儀器和網(wǎng)關(guān)之間通信的單點故障，因此大多數(shù)工廠會使用冗余系統(tǒng)（圖2）。由于網(wǎng)關(guān)以不同方式集成到工廠網(wǎng)絡(luò)中，因此需要對這些方面進行審核。

還應(yīng)考慮WirelessHART 協(xié)議設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測傳感器的可用性，例如部署在關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的振動和軸承狀態(tài)傳感器。傳感器數(shù)據(jù)通常不需要傳輸?shù)街髯詣踊鳈C系統(tǒng)，因為這些數(shù)據(jù)不會影響過程控制。當(dāng)來自各種設(shè)備的數(shù)據(jù)（監(jiān)控和過程）通過網(wǎng)關(guān)接入時，工廠可能會將一些數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖遥渌鼣?shù)據(jù)則傳輸?shù)骄S護部門平臺，例如資產(chǎn)管理。

隨著WirelessHART 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的擴展，已經(jīng)可以覆蓋更多的區(qū)域，大多數(shù)工廠采用并列運行的多個網(wǎng)絡(luò)。將相似的設(shè)備相互關(guān)聯(lián)，可以更輕松地將數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的目的地。必須有條理地接近這種分區(qū)，以確保每個網(wǎng)絡(luò)上有適當(dāng)數(shù)量的設(shè)備以支持有效的網(wǎng)格劃分，并為各個發(fā)送器提供足夠的冗余路徑以相互通信。

WirelessHART 協(xié)議使用自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。如果某個給定設(shè)備無法直接到達網(wǎng)關(guān)，各個無線設(shè)備會自動相互通信并調(diào)整通信路徑并互為數(shù)據(jù)中繼點。因此，彼此互通的設(shè)備越多，通信越可靠。系統(tǒng)工程指南IEC 62591 WirelessHART 協(xié)議提供了對網(wǎng)絡(luò)機制的深入討論。遵循基本的最佳實踐，大多數(shù)工廠預(yù)期的可靠性都超過99％。

是否能夠獲得更積極的性能數(shù)據(jù)，往往取決于使用網(wǎng)關(guān)制造商提供的網(wǎng)絡(luò)診斷工具。這些工具表明了如何形成通信路徑以及如何實現(xiàn)它們的可靠性。如果網(wǎng)絡(luò)的某個部分網(wǎng)格劃分的機會太少，則可以另外加入變送器。

盡管WirelessHART 協(xié)議傳輸功耗低，卻具有較強的魯棒性，可以實現(xiàn)長距離覆蓋，不過有一定的限制。必須考慮煉油廠和化工廠常見的大型鋼結(jié)構(gòu)，以及難以預(yù)測的信號被反射或吸收的工況。用于規(guī)劃合適傳輸路徑的現(xiàn)場調(diào)查可能會有所幫助，但最好使用網(wǎng)絡(luò)性能分析。使用無線規(guī)劃工具可以幫助評估設(shè)施與部署行業(yè)的最佳實踐。

例如，一家煉油廠開發(fā)的經(jīng)驗法則，將可行的傳輸距離與設(shè)備密度聯(lián)系起來：

· 嚴重阻塞：100 英尺 - 典型的高密度工廠環(huán)境，過于擁擠，無法駕駛卡車穿過該區(qū)域。

· 中等阻塞：250 英尺 - 工藝區(qū)域密集度較低，設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施之間有很大的空間。

· 光線阻擋：500 英尺 - 典型的油庫，有很大的障礙物，但兩者之間有很大的空間。

· 清晰的場地線：750 英尺 -當(dāng)天線安裝在障礙物上方時，可以實現(xiàn)最大距離傳輸，并且地形變化的角度小于5 度。專用天線有助于實現(xiàn)更長的距離。

根據(jù)不同的應(yīng)用，實際結(jié)果可能會有所不同，但這些指導(dǎo)可以為用戶提供切合實際的預(yù)期和參考。

最智能的軟件也無法克服物理硬件的限制。分布式控制系統(tǒng)（DCS）和資產(chǎn)管理平臺往往是龐大而單一的，但現(xiàn)在正在被使用移動設(shè)備和云的、更小但開銷也更小的密集型系統(tǒng)所補充和替代。

雖然在相同的應(yīng)用中， 也可以通過有線設(shè)備以獲取類似的數(shù)據(jù)，但是通信路徑可能太復(fù)雜而不可行。因此，在IIoT 時代，WirelessHART協(xié)議的價值主張正在增長，節(jié)省與消除了布線相關(guān)的成本，增加了易訪問性。雖然這可能更難以量化，但它為許多應(yīng)用提供了快速回報。