工厂高可靠i-WLAN解决方案

1、工业网络对无线的需求分析 

如图1所示,智能制造系统架构层级自下而上共五层,分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层,高可靠i-WLAN解决方案适用于控制层和车间层。WLAN的优点无需赘述,特别适合工厂网络改造项目并大量节省布线成本,但无线通信的不稳定性也导致其目前在工厂中的应用非常受限。

工厂高可靠i-WLAN解决方案
图1 智能制造系统架构层级

WLAN技术在商用领域已经非常成熟,也有适合工厂用的工业级产品。通过各产品厂家测试发现,目前WLAN通信平均丢包率约为8%,通过重发机制可以降低到2%以下,但重发导致的数据帧延迟到达是设备层和控制层网络不能容忍的。无线AP设备端普遍采用双频(2.4G和5G)设计,无线Client端在双频之间还存在切换丢包问题。总体来说,现有无线局域网通信技术易受同频信号干扰、丢包率较高,不具备时间确定性和通信可靠性,在工业场景下的应用面临挑战。

2、WLAN over EOE技术

EOE(Ethernet over Ethernet)技术是在802.3标准体系下开发的新一代工业实时以太网通信技术,可以在通信的可靠性和时间敏感性方面弥补现有以太网通信的不足。

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图2  高可靠i-WLAN方案

如图2所示,WLAN over EOE技术可以为工厂用户提供高可靠的i-WLAN解决方案:

(a)无线数据的多路径传输

EOE核心技术是数据的多路径传输,AP设备接入EOE网络,一份数据帧进入EOE网后会被复制成两份相同的数据帧,同时沿不同的路径向目标地址传输,目标节点只会保存最先到达且校验无误的帧,丢掉后面到达的帧。

(b)无线数据通信的时间敏感性

 EOE交换机采用双通道技术,将普通数据和实时数据分开传输,实时数据优先通过快速通道进行传输,可以保障数据传输的低延时和低抖动。双通道架构的设计不仅保障了普通数据要求的高带宽,而且能够为(设备层、控制层)对时间敏感的通信提供专属快速通道。

(c)无线AP-Client的双射频连接

无线AP基本都支持2.4G射频和5G射频,本方案无线AP和Client之间支持2.4G和5G双路射频同时连接,同一时刻保持两条热备射频链路,但数据只会选择其中一路射频传输。双射频连接的优势在于可以将数据的链路切换时间控制在毫秒级。

WLAN over EOE技术可以为无线通信提供数据的多路径传输,每条路径可以支持双射频连接,且快速通道可以保证实时数据的低延时传输,整体技术方案可以解决无线通信的不可靠问题,让高可靠的i-WLAN可以应用于控制层和车间层的通信。

3、控制层i-WLAN解决方案

传统工厂控制层采用PLC与I/O模块之间硬链接的闭环控制,硬链接的优点是通信可靠性高,缺点是需要布置大量线缆,不适合工厂升级改造项目。

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图3  PLC与I/O之间WLAN方案

如图3所示,在PLC与I/O之间建立高可靠的双路径无线传输系统,PLC发出的一份控制数据帧被EOE网复制成两份数据帧,通过两对AP-Client端传给EOE客户端,EOE客户端会保存转发最先到达的数据帧给I/O模块完成控制指令。四条热备射频链路和两份数据(双路径)传输可以为PLC与I/O之间的无线通信保驾护航。

4、车间层i-WLAN解决方案

MES即制造企业生产过程执行系统,是现代制造企业的核心应用,可以把ERP计划同车间作业现场控制联系起来。MES系统可以通过无线通信的方式完成对PLC的生产过程控制。

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图4  MES与PLC之间WLAN方案

如图4所示,在MES系统与PLC之间建立高可靠的双路径无线传输系统。在双路径基础上可以升级为最多四路径的传输系统,为MES与PLC控制器通信提供超高可靠性的WLAN解决方案。

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