本文首先叙述了WirelessHART流程无线系统网络的设计规则，然后介绍了可以针对生产现场的具体情况突破这些规则，最后列举了当实际WirelessHART网络满足不了设计规则时，强化WirelessHART网络的几条措施。
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“IEC62591WirelesSHART®System Engineering Guide(Revision3.0)，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，如云南云润仪表制造有限公司、艾默生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。
2.23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，可参考提供的文献资料），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。
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
