Обзор продуктов для промышленных беспроводных сетей IWLAN (промышленный WiFi) от SIEMENS. Часть 1 (V)

SCALANCE W

В SIEMENS продукты для построения промышленных беспроводных сетей собраны в семейство SCALANCE W.

Где применяется беспроводные сети на основе продуктов SCALANCE W

Беспроводная связь для производства

• Подвесные конвейеры
• Автоматические самоходные тележки AGV
• Внутрипроизводственная логистика
• Мобильная производственная робототехника

Беспроводные приложения с особой ответственностью

• Перемещение людей
• Подъёмники, аттракционы
• Приложения связанные с возможностью аварийной остановки для обеспечения безопасности

Экстремальные условия внутри и вне помещений

• Металлургические заводы
• Шахты и туннели
• Нефтегазовая промышленность
• Исполнение для тяжёлых и расширенных условий эксплуатации EEC (Enhanced Environmental Conditions) с соответствующими сертификатами

Отличие обычного и промышленного WiFi

В чем отличие классического WiFi от промышленного WiFi? В целом промышленный WiFi использует аналогичный формат и принцип передачи данных. Но в отличии от офисных решений, промышленные WiFi устройства имеют более надежный конструктив, предназначены для установки в шкафы автоматизации, вне шкафа в производственном помещении или на улице. Промышленные WiFi устройства поддерживают не только стандартные механизмы передачи данных, но и профили промышленных протоколов (например PROFIsafe) и циклическую передачу данных для надежной связи в промышленных протоколах (например, протокола PROFINET с коротким и детерминированным циклом опроса).

Основы беспроводной связи

Частотный спектр и общая среда передачи

Проводной стандарт связи Ethernet использует механизм определения коллизий CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), который позволяет определить наличие коллизий при передачи данных (стоит отметить, что благодаря использованию изолированной проводной среды и дуплексной передачи данных коллизии в современных проводных сетях маловероятны). Беспроводной стандарт связи WiFi использует единый радиоэфир и не имеет возможности работать в изолированной среде. Для предотвращения коллизий здесь используется механизм предотвращения коллизий CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), которые используется специальные сигналы (jam signal) для проверки радиоэфира. Такой механизм позволяет улучшить производительность и скорость передачи данных за счёт снижения вероятности коллизий и повторных попыток передачи данных путем превентивных проверок. Стандарт WiFi работает на частотах 2.4 ГГц и 5 ГГц, что соответствует микроволновому диапазону.

Соединение с всенаправленными антеннами в открытом пространстве

Можно использовать различные варианты организации беспроводной передачи данных, например организовать связь с подвижными объектами на небольшом расстоянии (до 100 метров), используя беспроводные точки доступа и клиенты с всенаправленными антеннами.

Соединение с узконаправленными антеннами в открытом пространстве

Также есть возможность организовать беспроводной канал связи между неподвижными объектами на расстояние до 1.5 километра используя беспроводные точки доступа и клиенты с узконаправленными антеннами.

Распространение радиоволн

При распространении электромагнитного сигнала в радиоэфире сигнал может отражаться и преломляться, затухать и рассеиваться (особенно эти явления актуальны при организации связи с подвижными объектами). В таком случае для приема сигнала используется несколько антенн. Технология называется MIMO (расшифровывается как Multiple Input – Multiple Output) и позволяет осуществлять прием и передачу сигнала на несколько пар антенн.

Качество сигнала, отражения и интерференции.

При создании проводной электрической сети нам необходимо учитывать портовую емкость коммутатора, а также пропускную способность портов и возможности коммутационной части устройства. При построении беспроводной сети задача более сложная: используется единая среда передачи данных и в ней могут появляться отражения и интерференция передаваемого сигнала, которые будут сказываться на качестве передачи данных, а также необходимо учитывать мощность излучаемого в радиоэфир сигнала и оценивать чувствительность приемника, чтобы он мог услышать сигнал и выделить его из шума в радиоэфире.

Для повышения качества необходимо использовать разделение

• по частоте
• в пространстве
• по времени
• по способу кодирования

Разделение по частоте

Для повышения качества передачи данных по беспроводным каналам связи и построения распределённых беспроводных сетей рекомендуется использовать различные типы разделения. Один из вариантов разделить радиочастотный спектр на различные частотные диапазоны (2.4 ГГц и 5 ГГц), которые поддерживаются в стандарте WiFi, а также внутри данных частотных диапазонов использовать различные каналы. Это позволить подключить большое количество устройств к беспроводным точкам доступа и исключить взаимное влияние и наложение передаваемых сигналов.

Хорошее частотное планирование – основа качественной связи!

Разделение в пространстве

Чтобы исключить взаимное влияние устройств, работающих в одинаковых частотных диапазонах и на одинаковых каналах, можно также использовать разнесение точек доступа в пространстве. Распределённые в пространстве точки доступа необходимо соединить между собой, чтобы сформировать единую сеть передачи данных. Для соединения точек доступа можно использовать проводное подключение или организовать беспроводную магистраль между точками доступа используя технологию Wireless Distribution System (WDS).

Разделение по времени: DCF или iPCF

Стандартный механизм передачи данных Distributed coordination function (DCF) позволяет выделяет таймслот для передачи данных для каждого клиента. Но здесь есть проблема: время передачи не детерминировано. Это означает, что один клиент может заниматься несколько таймслотов и передавать данные, в то время как другие клиенты ожидают в очереди. Это приводит к появлении задержки передачи данных. При передаче данных промышленных протоколов такой метод неэффективен. Поэтому используется другой механизм industrial Point Coordination Function (iPCF). Данный механизм позволяет реализовывать циклический обмен данными, выделяя таймслот для клиентов по очереди и передавать данные с точной, детерминированной задержкой.

Полезные добавления для промышленных приложений - iFeatures

iFeature: iPCF механизм опроса

В режиме iPCF Точки доступа опрашивают Клиентов в своей зоне покрытия в течении повторяющихся, очень коротких интервалов (приблизительно 2 мс на клиента). Клиенты могут оповестить о необходимости отправить более длинные сообщения, но они начинают передавать, только с разрешения от Точки доступа.

Кроме того сообщения протоколов реального времени (PNIO или Ethernet/IP) передаются с более высоким приоритетом.

Благодаря очень короткому периоду опроса, клиент очень быстро обнаруживает есть ли связь с точкой доступа. В результате время переключения на другую точку доступа после потери связи составляет менее 50 мс.

iFeature: iPCF-MC защита через беспроводную связь

Механизм iPCF-MC позволяет клиенту осуществлять переключение между точками доступа при движении еще быстрее. Механизм iPCF позволяет задать несколько частотных каналов и сканировать их для дальнейшего переключения, при достижении необходимых граничных условий. Чем больше каналов сканируется – тем потенциально дольше будет осуществляться переключение. Механизм iPCF-MC используется два типа каналов, Data Channel (DC) канал передачи данных и Management Channel (MC) служебный канал. Клиент всегда сканирует один служебный (MC) канал и при достижении пороговых значений переключается на новый канал передачи данных.

iFeatures для IWLAN – iPCF и iPCF-MC. Сравнение времени роуминга для разных режимов

Механизм iPCF-MC позволяет уменьшить время роуминга, а время переключения не зависит от количества используемых каналов передачи данных.

iFeatures: MAC Modes

При работе в проводных сетях Ethernet коммутатор прозрачно передает кадры, не изменяя MAC заголовок. Беспроводной клиент работая в стандартном режиме (Own) при передаче данных с Ethernet интерфейса на беспроводной WLAN интерфейс подменяет MAC адрес устройства отправителя на свой собственный. В случае работы в протоколом PROFINET нам необходимо транслировать данные протокола прозрачно, избегая подмены MAC адресов. Беспроводные клиенты позволяют настраивать прозрачную передачу 1 MAC адреса подключенного устройства в режиме ручной (Manual) или автоматической (Automatic) настройки. А режим Layer2Tunnel позволяет прозрачно передавать до 8 MAC адресов устройств, подключенных к беспроводному клиенту.

iFeature: iPRP

Протокол industrial Parallel Redundancy Protocol (iPRP) позволяет осуществлять резервирование беспроводного соединение и реализовывать бесшовный роуминг.

Пример: WLAN вдоль рельсового пути

Резервирования с использованием технологии iPRP на примере поезда. На поезде используется устройство бесшовного резервирования (RedBox), который подключается к Ethernet коммутатор и передает дубликаты кадров на два беспроводных клиента. Клиенты разнесены в пространстве друг относительно друга и используют различные идентификаторы SSID для разделения передачи данных. Вне поезда другое устройство бесшовного резервирования через Ethernet коммутаторы подключается к точкам доступа, каждая из которых поддерживает оба идентификатора SSID, используемых клиентами. Клиенты передают данные по параллельным каналам и синхронизируются между собой через проводной канал. Такой метод исключает перерывы связи при пропадании одного соединения и позволяет осуществлять бесшовное переключение между точками доступа при движении.

Обзор дополнительных функций для промышленных применений

• Force Roaming on link down - принудительный роуминг клиентов при отказе проводного порта на точке доступа
• Force Roaming on IP down - принудительный роуминг клиентов при потере связи с определённым IP адресом
• DFS Feature: Multi-Radar Detection - исключение ложных обнаружений на каналах DFS
• DFS Feature: Prefer Configured DFS Channel - возвращение к изначально настроенным частотным каналам после обнаружения радара
• ConfigPack - сохранение всех настроек устройства включая учётные записи пользователей и сертификаты
• UDP Multicasts with NAT and Layer 2 Tunnel - возможность использования групповых рассылок UDPдля случая одинаковых IPадресов
• Min. AP Signal Strength - обеспечение минимальной мощности принятого сигнала от точки доступа на клиенте
• WLAN Client: Trigger handover via SNMP - инициализация сканирования частных каналов клиентом командой протокола SNMP
• Change configuration via SNMP during operation - изменение сразу многих настроек устройства во время работы командой протокола SNMP
• DHCP Renew After Roaming - повторное получение IP адреса после того как клиент переключается на новую точку доступа
• System time - различные механизмы для синхронизации системного времени устройств в сети

RCoax – излучающий кабель

Беспроводные WiFi устройства поддерживают встраиваемые и выносные антенны, а также специальный типа антенны – излучающий кабель (RCoax).

Излучающие кабели RCoax обеспечивают надежное беспроводное соединение там, где затруднительно использовать обычные антенны.

Например: краны, лифты или рельсовые транспортные средства.

Излучающие кабели RCoax используются как антенны точек доступа SCALANCE W и обеспечивают надежное беспроводное соединение. Излучающий коаксиальный кабель надёжен и прост в монтаже. Для беспроводных сетей есть доступны два варианта кабеля для 2,4 ГГц и 5 ГГц. Излучающий кабель подключение к точкам доступа SCALANCE W-700 как внешняя антенна. Движущиеся устройства подключаются через клиентские модули SCALANCE W-700

Устройство излучающего кабеля

Кабель RCoax состоит из следующих частей:

• Внутренний проводник
• Диэлектрик: обычно воздушный или из пластика пластиковый с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими потерями на ВЧ.
• Внешний проводник: с отверстиями в продольном или поперечном направлении. Геометрия и количество этих отверстий определяют излучающие свойства кабеля.
• Оболочка кабеля: эта внешняя изоляция на кабелях «Сименс» RCoax не распространяет горение и не содержит галогенов (HLFR).

Длина сегмента

RCoax кабель подключается в антенный порт точки доступа напрямую или через специальный делитель. Такой тип антенны позволяет осуществлять установку там, где установка обычных антенн неудобна и невозможна (например из-за конструктива или из-за парусности) и создать надежное, равномерное покрытие для различных приложений (например вдоль траектории движения подвижных объектов на производстве).