PROFINET - Komunikacja bezprzewodowa Wi-Fi

Komunikacja bezprzewodowa Wi-Fi na bazie sterownika PLC S7-1200 z wykorzystaniem urządzeń bezprzewodowych MOXA. Opis zestawu demo.

Wstęp

W obecnych realiach przemysłu, w okresie, w którym coraz więcej mówi się o IIoT (Industrial Internet of Things) duży nacisk kładzie się na wykorzystywanie otwartych protokołów przemysłowych. Dodatkowo, coraz więcej na znaczeniu zyskują rozwiązania chmurowe, oraz te związane z cyberbezpieczeństwem. Aby sprostać tym trendom, potrzebujemy infrastruktury sieciowej, która przystosowana jest do ciągłej pracy w trudnych środowiskach, otwartej na różne standardy przemysłowe i umożliwiającą obsługę wielu dostawców komponentów sieciowych. Równie istotna jest niezawodność oraz wysoka wydajność aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak komunikacja PLC-IO.

Na rynku pojawia się coraz większe zainteresowanie bezprzewodową automatyką przemysłową, aby zapewnić łączność do urządzeń, które znajdują się w trudno dostępnych miejscach, na zewnątrz obiektów, w zakładach transportowych, w halach produkcyjnych, wszędzie tam, gdzie zastosowanie rozwiązań przewodowych nie jest możliwe.

W poniższym artykule przedstawimy sposoby zbudowania sieci Wi-Fi z wykorzystaniem protokołu Profinet w oparciu o urządzenia producenta Moxa.

Profinet w sieci Wi-Fi

Protokół Profinet oparty jest na standardzie Ethernet, co czyni go kompatybilnym ze standardami technologii bezprzewodowej IEEE 802.11 oraz IEE 802.15.1. Oznacza to kompatybilność ze standardem Wi-Fi pracującym na częstotliwości 2,4 GHz oraz 5 GHz, a także technologię Bluetooth. W zależności od wymagań aplikacji, można wykorzystać najbardziej odpowiednią technologię transmisji bezprzewodowej z szerokiej gamy producentów.

Mówiąc o aplikacjach wykorzystujących Wi-Fi, możemy wyróżnić trzy najczęściej spotykane topologie. Są to:

• Point to Multipoint (topologia gwiazdy)
• Point to Point (Bridge)
• Roaming

Point to Point/Multipoint

Profinet IO wykorzystuje fizyczne adresy MAC urządzeń do komunikacji pomiędzy kontrolerem, a innymi urządzeniami Profinet. W przypadku topologii point to multipoint, użytkownik może powiązać wiele stacji bezprzewodowych (client) ze sterownikiem lub innymi urządzeniami (PC, SCADA). Większość sieci bezprzewodowej wykorzystuje infrastrukturę bezprzewodową (P2M) jako główny tryb bezprzewodowy. Przykładowa topologia, składająca się sterownika (kontrolera Profinet) oraz dwóch wysp (Profinet IO Device).

Konfiguracja

Aby utworzyć połączenie typu Point to multipoint, jedno urządzenie musi pracować w trybie Access Point (AP), a pozostałe w trybie Client. Konfigurację najwygodniej przeprowadzić wykorzystując konsole webową (wpisując w przeglądarce adres IP urządzenia). W zakładce wireless LAN setup - Operation mode należy wybrać interesujący nas tryb pracy urządzenia. Zostało to pokazane na poniższym rysunku.

Więcej informacji na temat konfiguracji urządzeń bezprzewodowych Moxa (wybór częstotliwości, szyfrowanie transmisji itp.) można znaleźć na przykład w poniższych artykule, który pojawił się na naszym blogu:
Konfiguracja bezprzewodowych urządzeń Wi-Fi.

Funkcja MAC Clone

Urządzenia pracujące jako Client, w przypadku komunikacji opartej o Profinet, posiadają jeden mankament. Wysyłając ramkę danych, nie przekazują adresu MAC urządzenia podłączonego do portu LAN. Wysyłany jest natomiast adres MAC Clienta. Graficznie taka sytuacja została przedstawiona na poniższej grafice:

Profinet Controller, analizując ruch nie rozpoznaje takiej ramki danych, ponieważ adres źródłowy nie należy do urządzenia Profinet Device.

Problem ten można rozwiązać uaktywniając funkcję MAC Clone (na urządzeniach pracujących w trybie Client)

W tym celu należy przejść do zakładki Wireless LAN Setup - WLAN - Advanced WLAN Settings

Do dyspozycji mamy dwa tryby pracy MAC Clone:

• Auto - zalecany, gdy do portu LAN podłączone jest tylko jedno urządzenie końcowe. W przypadku większej liczby urządzeń, zostanie skopiowany adres MAC pierwszego rozpoznanego urządzenia
• Static - zalecany przy większej liczbie urządzeń. Możemy wskazać adres MAC urządzenia, który będzie kopiowany.

Aktywacja funkcji MAC Clone pozwala urządzeniu AWK pracującemu w trybie Client zamienić jego własny adres MAC, na adres MAC urządzenia Profinet podłączonego do portu LAN.

W odróżnieniu do poprzedniego przypadku, na poniższym zdjęciu, wysyłana jest ramka danych z adresem źródłowym MAC urządzenia końcowego, który jest rozpoznawany przez kontroler.

 

Dużą zaletą MAC Clone jest niezależność od modelu AP, tzn. nie są wymagane Access Pointy Moxa, aby funkcja MAC Clone działała poprawnie. W związku z tym, urządzenia typu Client są w pełni kompatybilne z zastaną infrastrukturą bezprzewodową.

Należy pamiętać, iż funkcja MAC Clone ogranicza umożliwia kopiowanie i przekazywanie adresu MAC tylko dla jednego urządzenia.

Point to Point

Topologia typu point to point jest często nazywana topologią tzw. mostu bezprzewodowego. Jest to połączenie pozwalające na zastąpienie kabla miedzianego za pomocą dwóch odpowiednio zestawionych urządzeń Wi-Fi. Jedno z nich pracuje w trybie „master”, a drugie w trybie „slave”. W takiej topologii do Mastera możemy podłączyć kilka urządzeń typu Slave. Standardowo, nie jest możliwe podłączenie do mastera innych urządzeń Wi-Fi typu Client - np. laptopa. Dzięki temu połączenie takie jest mało wrażliwe na próby nieautoryzowanego dostępu. Jednak, włączenie na Masterze funkcji VAP (Virtual Access Point) umożliwia rozgłaszanie podłączenie dodatkowych urządzeń. Największą zaletą jest jednak „przezroczystość” dla transmitowanych danych. Urządzenia podłączone do Mastera jak i Slave-a mogą się komunikować ze sobą dokładnie tak samo jakby były połączone bezpośrednio kablem. Taka konfiguracja sprawdza się szczególnie dobrze w instalacjach gdzie występuje np. komunikacja pomiędzy sterownikami rozproszonymi na większym obszarze.
Przykład takiej konfiguracji został przedstawiony na poniższym obrazku:

Proces konfiguracji, tak jak w poprzednim przypadku ogranicza się w najprostszym przypadku do wyboru odpowiedniego trybu pracy urządzeń.

Najważniejsze informacje, podsumowanie różnic między topologią point to point oraz point to multipoint znajdują się w poniższej tabelce:

	AP/CLIENT	Master/Slave (Bridge)
Liczba urządzeń profinetowych	1	N, ograniczona przez podsieć
Adresy MAC	Przesyłane transparentnie z funkcją MAC Clone	Przesyłane transparentnie
AP/Master	Dowolny	Zalecany Master Moxa
Sposób połączeń (AP:Client/ Master:Slave)	1:N	1:N

Roaming

Roaming polega na przełączaniu się urządzeń typu Client między kolejnymi punktami dostępu. W przypadku standardowej sytuacji, poziom sygnału nie jest aktywnie monitorowany, co może doprowadzić do nagłej utraty sygnału. Odbudowanie połączenia jest możliwe po ponownym włączeniu połączenia Wi-Fi. Standardowe przełączenie trwa zatem około kilku sekund, co w środowisku przemysłowym zazwyczaj nie jest wystarczające. Rozwiązaniem tego problemu jest wykorzystanie technologii Turbo Roaming, która zapewnia przełączanie urządzeń typu klient między kolejnymi punktami dostępu w czasie krótszym niż 150 ms.

Co bardzo ważne, nie wymaga żadnej konfiguracji po stronie punktów dostępowych – nie jest konieczne ingerowanie w obecną infrastrukturę. Jedynie urządzenie pracujące jako Client musi posiadać odpowiednią konfigurację. Przełączanie do kolejnego Access Pointa odbywa się na podstawie porównania mocy sygnału. Zastosowanie tej technologii pozwala na znacznie dokładniejsze sterowanie obiektami w ruchu.

Konfiguracja

Konfiguracja wymagana jest na urządzeniach typu Client. Aby aktywować Turbo Roaming należy w interfejsie webowym przejść do zakładki
Wireless LAN Setup - WLAN - Advanced WLAN Settings i w polu Turbo Roaming zaznaczyć Enable.

Zestaw demo - testy komunikacji

Aby przetestować komunikację bezprzewodową Wi-Fi ze wsparciem Profinetu, zbudowaliśmy mały zestaw demo składający się z:

• Sterownika PLC Siemens S7-1200FC
• Modułu I/O IM 155-6 PN ST z 8 wejściami cyfrowymi
• AWK-1137C pracujący w trybie Slave
• AWK-3131A pracujący w trybie Master
• zasilacz 24V - HDR-30-24
• Dwa przyciski do wysyłania sygnałów cyfrowych
• Wieża świetlna podłączona do wyjść cyfrowych sterownika PLC
• Krótki program wgrany do sterownika PLC, wykorzystywany do sterowania lampkami w wieży świetlnej.

Zmiana wartości na wejściu cyfrowym zdalnego modułu I/O wyzwala zmianę na wyjściu cyfrowym sterownika PLC. Komunikacja między kontrolerem, a modułem wejść odbywa się z wykorzystaniem komunikacji bezprzewodowej.

Ważnym parametrem, na który należy zwrócić uwagę, są ustawienia Real Time Settings dla urządzeń Profinet IO.

Ustawienie Update time może być konfigurowane oddzielnie dla każdego urządzenia IO i determinuje interwał czasu w którym dane są transportowane z kontrolera IO do urządzenia IO (outputs) jak również w drugą stronę, dane z urządzenia IO do kontrolera IO (inputs).

W przypadku komunikacji bezprzewodowej, najlepszym rozwiązaniem jest ręczne dobranie odpowiedniego parametru, w zależności od czynników środowiskowych, które mogą wpływać niekorzystnie na sygnał bezprzewodowy.

Dane cykliczne I/O przesyłane są bez potwierdzenia jako dane czasu rzeczywistego w ustawionym czasie bazowym. Czas cyklu można ustawić indywidualnie dla każdego z połączeń w danej stacji, co pozwala na adaptację wymagań do poszczególnych aplikacji.

Koncepcja alarmów obejmuje technologie wykrywania zdarzeń systemowych (np. wkładanie i wyjmowanie modułów) jak również sygnalizacje awarii, które zostały wykryte przez stację (np. brak napięcia zasilania lub przerwany przewód). Alarmy również wykorzystują do komunikacji wersję Real time Profinetu.

W jaki sposób można odczytać powyższe parametry możesz dowiedzieć się z poniższego artykułu:

Monitorowanie switchy przemysłowych w środowisku TIA Portal.

Zapraszamy do zapoznana się z naszą ofertą urządzeń bezprzewodowych.

	AWK-4131A	AWK-3131A	AWK-1131A	AWK-1137C
Tryb pracy	AP, Client, Master, Slave, Client Router, Sniffer	AP, Client, Master, Slave, Client Router, Sniffer	AP, Client, Sniffer	Client, Slave Client Router, Sniffer
MAC Clone	Statyczny i automatyczny	Statyczny i automatyczny	Statyczny i automatyczny	automatyczny (od v1.4 również statyczny)
Standard Wi-Fi	IEEE 802.11a/b/g/n z MIMO do 300 Mbps
Ethernet Serial	1 x 10/100/1000Mbps –			2 x 10/100Mbps 1 x RS-232/422/485
PoE	802.3af PoE	802.3af PoE	–	–
Max. liczba klientów przypadająca na 1 AP	100 połączeń, 60 równoległych strumieni	100 połączeń, 60 równoległych strumieni	30 połączeń, 30 równoległych strumieni	–
AeroMag	AeroMag AP	AeroMag AP	–	AeroMag Client
Podwójna izolacja	500 V izolacja wejścia zasilania Level-4 ESD ochrona anten oraz portów szeregowych
Redundancja zasilania	od 12 do 48 VDC			od 9 do 30 VDC (pojedyncze zasilanie)
Zakres temperatur pracy	Modele standardowe: 0 do 60°C (-25 to 60°C dla AWK-3131A) Modele z rozszerzonym zakresem temp.: -40 do 75°C
Klasa ochrony IP	IP68	IP30	IP30	IP30
Certyfikaty	–	UL/cUL Class 1 Division 2, ATEX Zone 2, IECEx	–	E-Mark E1

W przypadku pytań, można się z nami skontaktować drogą mailową: moxa@elmark.com.pl