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摘 要：本文介绍了如何从项目前期，即理论设计阶段设计一个稳定的WIA-PA工业无线网络。WIA-PA是面向工业过程自动化的工业无线网络技术标准，是中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的WIA子标准，是基于IEEE802.15.4标准的用于工业过程测量、监视与控制的无线网络系统。WIA-PA标准先后成为中华人民共和国国家标准和国际电工委员会IEC标准。
关键词：WIA-PA；无线技术；网络规划
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0285-01
1 技术背景
近些年，随着无线技术的发展，市场需求的增强，越来越多的无线产品应用在工业过程生产领域。而无线技术以其特有的技术特点，与传统的有线技术形成了优势互补，推动了工业物联网的建设。
无线技术的优势在于可以大幅缩减项目的成本、时间和复杂性，可扩展性更强，不受有线的束缚，安装自由度更高，适应现场环境的能力更强。但相比于传统的有线技术，很多人对其通信的可靠性提出了质疑，其实只要充分了解无线通信技术的原理，做出合理的网络规划和工程实施，就可以保证无线通信的可靠性。
WIA-PA是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议。它在时间上（时分多址TDMA）、频率上（巧妙的FHSS跳频机制）和空间上（基于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输）的综合灵活性，使这个相对简单但又很有效的协议具有嵌入式的自组织和自愈能力，大大降低了安装的复杂性，确保了无线网络具有长期而且可预期的性能。
2 适合的应用范围
建立一个稳定的无线通信网络，首先要根据无线技术的特点，从项目成本，施工维护，后期扩展等方面，明确哪些项目适合应用无线技术，哪些问题适合用无线技术解决。一般地，无线技术最适合应用在过程监测系统中。从保守角度考虑，不推荐应用于控制系统。因为控制系统对控制的响应时间要求较高，一般都要求在1s以内，而无线网络受网络容量、电池寿命等多方面限制，响应时间一般都在1s以上。
3 合理的网络规划
一旦确定了项目将要使用无线设备，即可开始无线网络设计。
WIA-PA无线网络一般分为3级网络架构，分别为网关、路由、节点。小规模的无线网络，也可省去路由，变为2级网络架构。无线网络拓扑结构为Mesh和星型相结合。
网关是整个无线网络的核心，负责管理该网关下的所有无线设备，并将无线信号转换成有线信号。路由是无线网络的中继站，现场应用中可灵活布放安装，有效的躲避障碍物，拓展无线网络规模，冗余无线通信路径。节点是基础信息的收集器，通过传感器采集需要的参数信息，将其转化成无线信号。
（1）应按照工艺单元选出测试点，确定每个工艺单元需要多少个测试点。网关应按工艺单元来布局，或者根据子工艺单元来布局。设备分布情况可用于确定所需网关的数量。
（2）根据网络中的最快数据刷新频率来确定网关容量。
（3）根据技术规范或项目其他需求，可增加网关数量来确保备用的网络容量。
无线网络的布局，应该以网关为核心点，网关下的子节点以网关为中心布局部署。这样可以保证节点到网关的跳数最少，网络拓扑更加健壮。
网关一般部署在工艺单位监控室楼顶，这里可以为网关提供电源和必要的数据接口，使网关更加方便的接入有线系统。
4 有效的传输距离
无线网络的传输距离与无线频率、环境障碍物、天线增益、天线角度、其他干扰等因素有关。这里的有效距离是指无线现场设备在工艺环境中两台设备间的直线距离。一般情况下，如果设备之间没有障碍，清晰可见，安装高度距地面2～10m时，两台设备间的有效距离为500m以上。无线网络为自组织网格网络，经过两次信号跳跃传输后（即一台设备发出的通信信号通过第二台设备进行发送才到达网关），因此有效距离可达到1000m。障碍物将减小设备有效距离。大部分过程环境中都有密集的金属管线，会反射一部分射频信号，因而减弱无线信号。下面为三种情况下的有效距离：
重度障碍：50m。这是典型的高密度厂区环境。卡车或类似设备不能驾驶穿过。
中等障碍：100m。这是障碍稍微少一些的过程区域，设备和基础设施之间有大量空间。
轻度障碍：300m。典型的在油库环境重。虽然油库本身就是障碍物，但储罐之间和上方的巨大空间比较有利于信号的传输。
设备可视：500m。设备之间没有任何障碍，设备安装在距离地面或障碍物至少2m的地方。
5 网络拓扑
WIA-PA无线网络拓扑结构为MESH、星型、MESH和星型相结合。规格网络拓扑时应注意以下原则：
在设备有效距离范围内，每台WIA-PA设备周邊应配备至少3个设备邻居。这样可确保网络工作时至少有两条通信线路，并且随时可更能更换通信路径。
每个多余5台设备的WIA-PA网络，至少应有25%的设备处于网关的有效距离范围内，以确保足够的带宽并消除瓶颈点。实际上，即使只有10%的设备处于网关有效距离内，WIA-PA网络也可以工作，但实际的网络性能会受到影响。实践经验得出25%是比较合理的比例。比如，一个拥有100台设备的网络，需要有25台设备处于网关的有效距离范围内。
路由的合理应用，可以扩展网络拓扑结构，增加通信的冗余路径，保证网络结构的健壮性。同时灵活的安装，可以使原来两个受遮挡的节点，通过路由中转，实现可靠的通信。
6 备用容量和扩展
在有线采集的项目中，一般需要提供备用硬件（编组、I/O卡和终端等）和备用空间。备用容量一般介于20～30%。在无线网络设计中，这个情况有所不同，原因是不存在柜体编组、I/O卡或终端。可以通过增加网关来增加网络容量。
7 网络强化
建议通过改变设备的有效范围对网络设计进行强度测试，以确定网络的潜在安全漏洞。进行强度测试时，可将设备的有效距离降低10%。例如，假设初始设计的设备有效范围为100m，现将有效范围减少10m，以便发现网络存在的薄弱环节。在这一点上，由网络设计人员来确定施加强度的程度和强度递减的极限。
8 结束语
工业无线网关随着技术的不断进步，正在逐步地走向成熟稳定，以其独有的特点被越来越多的用户所接受。应用时只有初步掌握其特性，按照以上方法设计，不盲目施工，就能够得到一个稳定的WIA-PA无线网络。
参考文献
[1]《工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范》.
[2]中科奥维公司《WIA-PA_系统工程指南》.
收稿日期：2018-4-14
关键词：WIA-PA；无线技术；网络规划
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）14-0285-01
1 技术背景
近些年，随着无线技术的发展，市场需求的增强，越来越多的无线产品应用在工业过程生产领域。而无线技术以其特有的技术特点，与传统的有线技术形成了优势互补，推动了工业物联网的建设。
无线技术的优势在于可以大幅缩减项目的成本、时间和复杂性，可扩展性更强，不受有线的束缚，安装自由度更高，适应现场环境的能力更强。但相比于传统的有线技术，很多人对其通信的可靠性提出了质疑，其实只要充分了解无线通信技术的原理，做出合理的网络规划和工程实施，就可以保证无线通信的可靠性。
WIA-PA是一种经过实际应用验证的、适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议。它在时间上（时分多址TDMA）、频率上（巧妙的FHSS跳频机制）和空间上（基于网状及星型混合网络拓扑形成的可靠路径传输）的综合灵活性，使这个相对简单但又很有效的协议具有嵌入式的自组织和自愈能力，大大降低了安装的复杂性，确保了无线网络具有长期而且可预期的性能。
2 适合的应用范围
建立一个稳定的无线通信网络，首先要根据无线技术的特点，从项目成本，施工维护，后期扩展等方面，明确哪些项目适合应用无线技术，哪些问题适合用无线技术解决。一般地，无线技术最适合应用在过程监测系统中。从保守角度考虑，不推荐应用于控制系统。因为控制系统对控制的响应时间要求较高，一般都要求在1s以内，而无线网络受网络容量、电池寿命等多方面限制，响应时间一般都在1s以上。
3 合理的网络规划
一旦确定了项目将要使用无线设备，即可开始无线网络设计。
WIA-PA无线网络一般分为3级网络架构，分别为网关、路由、节点。小规模的无线网络，也可省去路由，变为2级网络架构。无线网络拓扑结构为Mesh和星型相结合。
网关是整个无线网络的核心，负责管理该网关下的所有无线设备，并将无线信号转换成有线信号。路由是无线网络的中继站，现场应用中可灵活布放安装，有效的躲避障碍物，拓展无线网络规模，冗余无线通信路径。节点是基础信息的收集器，通过传感器采集需要的参数信息，将其转化成无线信号。
（1）应按照工艺单元选出测试点，确定每个工艺单元需要多少个测试点。网关应按工艺单元来布局，或者根据子工艺单元来布局。设备分布情况可用于确定所需网关的数量。
（2）根据网络中的最快数据刷新频率来确定网关容量。
（3）根据技术规范或项目其他需求，可增加网关数量来确保备用的网络容量。
无线网络的布局，应该以网关为核心点，网关下的子节点以网关为中心布局部署。这样可以保证节点到网关的跳数最少，网络拓扑更加健壮。
网关一般部署在工艺单位监控室楼顶，这里可以为网关提供电源和必要的数据接口，使网关更加方便的接入有线系统。
4 有效的传输距离
无线网络的传输距离与无线频率、环境障碍物、天线增益、天线角度、其他干扰等因素有关。这里的有效距离是指无线现场设备在工艺环境中两台设备间的直线距离。一般情况下，如果设备之间没有障碍，清晰可见，安装高度距地面2～10m时，两台设备间的有效距离为500m以上。无线网络为自组织网格网络，经过两次信号跳跃传输后（即一台设备发出的通信信号通过第二台设备进行发送才到达网关），因此有效距离可达到1000m。障碍物将减小设备有效距离。大部分过程环境中都有密集的金属管线，会反射一部分射频信号，因而减弱无线信号。下面为三种情况下的有效距离：
重度障碍：50m。这是典型的高密度厂区环境。卡车或类似设备不能驾驶穿过。
中等障碍：100m。这是障碍稍微少一些的过程区域，设备和基础设施之间有大量空间。
轻度障碍：300m。典型的在油库环境重。虽然油库本身就是障碍物，但储罐之间和上方的巨大空间比较有利于信号的传输。
设备可视：500m。设备之间没有任何障碍，设备安装在距离地面或障碍物至少2m的地方。
5 网络拓扑
WIA-PA无线网络拓扑结构为MESH、星型、MESH和星型相结合。规格网络拓扑时应注意以下原则：
在设备有效距离范围内，每台WIA-PA设备周邊应配备至少3个设备邻居。这样可确保网络工作时至少有两条通信线路，并且随时可更能更换通信路径。
每个多余5台设备的WIA-PA网络，至少应有25%的设备处于网关的有效距离范围内，以确保足够的带宽并消除瓶颈点。实际上，即使只有10%的设备处于网关有效距离内，WIA-PA网络也可以工作，但实际的网络性能会受到影响。实践经验得出25%是比较合理的比例。比如，一个拥有100台设备的网络，需要有25台设备处于网关的有效距离范围内。
路由的合理应用，可以扩展网络拓扑结构，增加通信的冗余路径，保证网络结构的健壮性。同时灵活的安装，可以使原来两个受遮挡的节点，通过路由中转，实现可靠的通信。
6 备用容量和扩展
在有线采集的项目中，一般需要提供备用硬件（编组、I/O卡和终端等）和备用空间。备用容量一般介于20～30%。在无线网络设计中，这个情况有所不同，原因是不存在柜体编组、I/O卡或终端。可以通过增加网关来增加网络容量。
7 网络强化
建议通过改变设备的有效范围对网络设计进行强度测试，以确定网络的潜在安全漏洞。进行强度测试时，可将设备的有效距离降低10%。例如，假设初始设计的设备有效范围为100m，现将有效范围减少10m，以便发现网络存在的薄弱环节。在这一点上，由网络设计人员来确定施加强度的程度和强度递减的极限。
8 结束语
工业无线网关随着技术的不断进步，正在逐步地走向成熟稳定，以其独有的特点被越来越多的用户所接受。应用时只有初步掌握其特性，按照以上方法设计，不盲目施工，就能够得到一个稳定的WIA-PA无线网络。
参考文献
[1]《工业无线网络WIA规范第1部分：用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范》.
[2]中科奥维公司《WIA-PA_系统工程指南》.
收稿日期：2018-4-14