西门子工业无线通信技术应用研究.pdf

186 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言我国工业经济规模大、数字经济规模位居全球第二，占 GDP 的比重不断上升1。工业互联网作为第四次工业革命的重要基石，是实现数字经济和实体经济深度融合的关键底座，是新型工业化的战略性基础设施2。在工业互联网体系架构里，通信网络为基础3。由于工业现场环境复杂且应用场景多样，需要不同的网络通信技术来满足不同的业务需求。无线网络通信技术因覆盖范围广、可扩展性强、部署简单、组网灵活和使用简便等优势，成为工业网络通信技术中重要的发展方向。但是在工业企业的生产区域部署无线网络不像在办公区域那么容易，工业环西门子工业无线通信技术应用研究卓振阳（金华职业技术学院，浙江金华321000）摘要：无线通信技术在工业网络中应用占比逐步提升，但无线通信极易受到干扰，存在通信时延大和传输不可靠等问题。为了满足工业极端环境下的无线网络应用需求，西门子开发了工业无线技术 iPCF 和 iPRP。通过 Wireshark 软件抓取通信数据包进行对比分析，结果表明 iPCF 可以缩短漫游时间，满足需要快速漫游的中等实时性工业应用；iPRP可以实现无线无缝冗余通信，增强了无线通信的可靠性。基于西门子 SCALANCE W 系列产品，iPCF 和 iPRP 网络结构简单，功能配置简便，具有较大的应用优势。关键词：工业网络；无线通信；快速漫游；无缝冗余中图分类号：TH16；TP391.73文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0186-03Application Research on Siemens Industrial Wireless Communication TechnologyZHUO Zhenyang（Jinhua Polytechnic,Jinhua 321000,China）Abstract：The application proportion of wireless communication technology in industrial networks is gradually increasing,but wireless communication is extremely susceptible to interference,with issues such as high communication latency and unreliable transmission.In order to meet the needs of wireless network applications in extreme industrial environments,Siemens has developed industrial wireless technologies iPCF and iPRP.Communication data packets were captured through Wireshark software for comparative analysis.The results show that iPCF can shorten roaming time and meet medium real-time industrial applications that require fast roaming;iPRP can achieve wireless seamless redundant communication and enhance the reliability of wireless communication.Based on the Siemens SCALANCE W series products,the network structure and function configuration of iPCF and iPRP are simple.Therefore,they have great application advantages.Keywords：industrial network；wireless communication；fast roaming；seamless redundancy境需要考虑一些特殊的问题，例如工厂结构、信号传播和干扰等。同时为了保证生产的连续性，工业企业对用于生产制造的通信网络的稳定性与可靠性提出了苛刻的要求，而传统的无线网络技术难以保证传输的稳定性和可靠性。为了满足工业环境中无线网络的应用需求，具备工业特性的无线技术应运而生，实现工业无线网络各个访问点之间快速可靠的漫游以及网络故障或拥堵时数据可靠稳定的传输，减轻意外中断的风险和保证生产的连续性。1 西门子工业无线技术为了满足工业无线网络的特殊需求，特别是工业极端环境下的应用，西门子公司开发了专用于工业无线局域网（IWLAN）的 SCALANCE W 系列产品。SCALANCE W系列产品具备多种特定功能，即 iFeatures（工业特性），可通过插入设备的 KEY-PLUG 或 CLP 启用。其中最为常用的为 iPCF（工业点协调功能）和 iPRP(工业并行冗余收稿日期：2023-11-30作者简介：卓振阳（1994.03-），男，汉族，浙江金华人，助教，硕士，研究方向：工业网络技术。187 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT协议)，可以在工业环境中实现快速漫游和无缝冗余。1.1 iPCF 目前大型的工业企业厂区占地面积庞大，部分厂区结构较为复杂或者设备密度较高。而无线接入点通常覆盖范围有限，要实现整个厂区的无线覆盖需要多个无线接入点。但是传统的无线技术大部分采用的是 DCF（分布式协调功能），DCF 类似于有线网络，在传输数据之前需要先检查介质是否处于忙碌状态，无线设备之间采用竞争的方式占用无线传输资源，漫游的延迟时间相对较高，大约为数百毫秒。对于一些需要非常快速更新的工业应用，例如PROFINET I/O 通信，这个延迟时间难以满足需求。西门子为满足工业无线网络快速漫游的需求开发了iPCF（工业点协调功能）。使用 iPCF 时，无线接入点会以极短的时间间隔周期性检查覆盖区中的无线客户端，客户端会进行响应，这使得客户端即使在不与接入点连接时也可以检测到接入点的无线链路的质量。从而使得客户端在与当前接入点失去联系时，可以在极短的时间内与备用接入点进行连接。并且在传输过程中较大的、非时间关键型的数据传输将被延迟，到空闲周期时间再进行传输。iPCF 可以使漫游时间缩短至 50ms，满足需要快速漫游的中等实时性工业应用。1.2 iPRP在实际应用中，无线网络总是难以避免受到各种非技术因素的干扰，造成网络故障和通信中断。因此，提升无线网络的容错能力是提高工业网络系统可靠性的有效手段。在有线以太网领域，并行冗余模式是一种较为先进的冗余模式。并行冗余协议（PRP）使用在不同物理路径上的两个或多个设备进行数据同步传输，接收端利用丢弃算法，选取第一个到达的数据，丢弃后到的数据。当其中一条路径因故障等原因造成连接中断时，其他的路径仍能正常传输数据，对于发送端和接收端来说通信并没有中断。因此并行冗余协议具有网络故障恢复零延时和不丢帧等特点。对于有线网络来说，并行冗余协议多条路径的传输速率大致相同。但是无线网络存在干扰和漫游，接入点和信号强度的变化会导致各条传输路径速度不同，因此在无线网络中使用并行冗余协议会导致帧重复和延迟。西门子为满足工业无线网络冗余通信的需求开发了 iPRP（工业并行冗余协议）。iPRP 是在无线系统中的 PRP 扩展，iPRP的冗余伙伴之间，即无线接入点之间或者无线客户端之间会进行彼此通信，通过相互协调按照一定的超期机制删除重复数据，防止两条路径上的数据到达接收端的时间相差过大，即使出现干扰和漫游也能保证数据的有效性，增强了无线通信的可靠性。2 实验研究目前工业无线网络常用的频段为 2.4GHz 和 5GHz，其中 2.4GHz 频宽较窄，信道之间频谱有重叠，且多数无线和蓝牙设备使用该频段，无线环境相对 5GHz 更加拥挤，干扰较大，所以本文在 5Ghz 频段下进行对比实验。实验主要设备为 SCALANCE W774 无线接入点、SCALANCE W734 无线客户端、SCALANCE XM408 工业第三层交换机、SCALANCE X204RNA 冗余网络访问模块和 S7-1500 PLC。各设备之间的通信数据包通过 Wireshark 软件抓取后进行对比，分析基于 iPCF 的无线通信相对于基础无线通信在漫游上的差异以及基于 iPRP 的无线通信相对于基础无线通信在可靠性上的差异。2.1 基础无线通信首先测试基础无线通信的漫游时延。为了排除同频干扰对漫游的影响，通过扫描当前的无线信道，选取不存在同频干扰的信道。然后分别对接入点和客户端进行基本参数的配置，其中天线设置为“ANT795-4MA”全向天线，频段设置为 5 GHz，并选用 165 信道。两台用于漫游测试的接入点，分别配置不同的 SSID，并都加入客户端 SSID列表。测试时，其中一台计算机通过 Ping 与另一台计算机保持无线通信，Ping 的时间间隔设置为 100ms。在测试过程中通过改变客户端和当前接入点之间的距离模拟无线漫游的过程，并在其中一台计算机上通过 Wireshark 软件抓取通信数据包。如图2中基础无线通信漫游测试数据所示，在 10 分钟的测试时间内，共完成 10 次漫游，通过分析漫游数据包中 ICMP 协议的数据响应情况可获得漫游过程中的丢包数据。在同一天内不同时间段共完成 6 轮共 60 次漫游测试，单次漫游最大丢包数量为8，最小丢包数量为5，平均为 6.3。下一步测试基础无线通信的通信可靠性。通过扫描当前的无线信道，选取不存在其他同频信号的信道，然后设置两台 SCALANCE W774 使用该信道作为同频干扰源。接入点和客户端其余基本参数的配置和之前保持相同。测 试 时，使 用 两 台 S7-1500 PLC 分 别 设 置 为PROFIENT I/O 通信的控制器和设备，通过无线接入点和客户端进行实时通信，用来模拟中等实时性工业应用。利用 SCALANCE XM408 交换机端口镜像功能将PROFIENT I/O 通信数据镜像至计算机连接的监视端口，计算机通过 Wireshark 软件抓取通信数据包。PROFIENT I/O 通信出现中断时，会产生“PNIO-AL”协议的数据包，通过分析数据包的协议类型和数量可以获得通信中断的次数。如图 2 中基础无线通信可靠性测试数据所示，在 10分钟的测试时间内，共产生 11 次通信中断。在同一天内不同时间段共完成 6 轮测试，单次测试最大通信中断次数为 12，最小通信中断次数为 9，平均为 10.5。2.2 基于 iPCF 的无线通信基于 iPCF 的无线通信测试的接入点和客户端的基本参数配置与基础无线通信漫游测试实验相同。接入点和客户端需要将配置页面中的“iFeatures”菜单下的 iPCF功能激活，并将接入点下的“协议支持”功能设置为PROFINET。测试过程与基础无线通信漫游测试实验相同，如图 2 188 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT中基于 iPCF 的无线通信漫游测试数据所示，在 10 分钟的测试时间内，共完成 10 次漫游，漫游过程中均未出现丢包。在同一天内不同时间段共完成 6 轮共 60 次漫游测试，丢包数量均为 0。2.3 基于 iPRP 的无线通信基于 iPRP 的无线通信测试网络结构图如图 1 所示，为了实现 iPRP 功能所需的两个独立网络，通过 VLAN进行分隔。其中两台 SCALANCE W774 接入点的 VAP 1.1 均设置为 VLAN 10，VAP 1.2 均设置为 VLAN 20，P1 端口用于同步信息设置为 VLAN 10 和 VLAN 20。一台 SCALANCE W734 客 户 端 的 VAP 1.1 设 置 为 VLAN 10，另一台的 VAP 1.1 设置为 VLAN 20，P1 端口用于同步信息均设置为 VLAN 10 和 VLAN 20。同时设置两台SCALANCE W774 作为同频干扰源，接入点和客户端其余基本参数的配置和基础无线通信可靠性测试实验相同。图1 基于 iPRP 的无线通信可靠性测试网络结构图测试过程与基础无线通信可靠性测试相同，如图 2 中基于 iPRP 的无线通信可靠性测试数据所示，在 10 分钟的测试时间内，未产生通信中断。在同一天内不同时间段共完成 6 轮测试，通信中断次数均为 0。(a)基础无线通信漫游测试数据(b)基础无线通信可靠性测试数据(c)基于 iPCF 的无线通信漫游测试数据(d)基于 iPRP 的无线通信可靠性测试数据图 2 Wireshark 抓包数据3 结论本文分析了西门子工业无线技术 iFeatures 中的 iPCF和 iPRP 的应用原理和技术特点，通过 Wireshark 软件抓取无线通信的数据包，对比基于 iPCF 的无线通信和基础无线通信在无同频干扰时的漫游时延以及基于 iPRP 的无线通信和基础无线通信在有同频干扰时的通信中断次数。实验结果表明西门子开发的 iPCF 和 iPRP 能有效提高无线通信系统的实时性和可靠性，在工业无线系统中有较大的应用优势。参考文献：1 龚六堂.新时代数字经济发展成就与机遇展望J.人民论坛,2023,(17):21-25.2赵安琪,李昊巍.工业互联网赋能产业高质量发展J.智能制造,2023,(04):16-19.3亓晋,王微,陈孟玺,许斌,董振江,孙雁飞.工业互联网的概念、体系架构及关键技术J.物联网学报,2022,6(02):38-49.