基于并行冗余協(xié)議的無(wú)線局域網(wǎng)通信在電機(jī)工廠系統(tǒng)集成中的應(yīng)用

張甲輝，龍罡，簡(jiǎn)金權(quán)

（1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

隨著工業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，信息化、智能化成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的主流。電機(jī)作為傳統(tǒng)基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品，不僅影響整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)發(fā)展，同時(shí)，也關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。電機(jī)制造系統(tǒng)需要進(jìn)行集成化和智能化升級(jí)改造。而由于電機(jī)制造工藝相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備種類較多，基于目前現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的有線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)集成已不能滿足需要，采用穩(wěn)定且實(shí)時(shí)性好的無(wú)線通信方式成為一種可行的解決方案。常規(guī)的無(wú)線通信方式如Wi-Fi、紅外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、藍(lán)牙、ZigBee等在進(jìn)行過(guò)程控制中均有所欠缺。本文基于并行冗余協(xié)議的原理，將其應(yīng)用到無(wú)線局域網(wǎng)通信，提出一種可靠性好、實(shí)時(shí)性高的無(wú)線通信方式。

1 并行冗余協(xié)議簡(jiǎn)介

IEC 62439-3對(duì)并行冗余協(xié)議（PRP：parallel redundancy protocol）的定義，并行冗余協(xié)議采用兩個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)A，B來(lái)實(shí)現(xiàn)。在冗余網(wǎng)絡(luò)中，可以根據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)劃分兩類節(jié)點(diǎn)：1DAN（Doubly Attached Nodes）節(jié)點(diǎn)，通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)口連接到雙網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。2SAN（Single Attached Nodes）節(jié)點(diǎn)，通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接到單網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。

并行冗余協(xié)議是通過(guò)DAN節(jié)點(diǎn)和冗余實(shí)體LRE實(shí)現(xiàn)的，DAN節(jié)點(diǎn)有2個(gè)使用相同MAC地址和IP地址的網(wǎng)路適配器，這使得冗余對(duì)上層透明，使DAN與SAN的地址解析協(xié)議（ARP）工作完全相同。鏈路冗余實(shí)體（Link Redundancy Entity，LRE）有2個(gè)任務(wù)：重復(fù)幀的處理和冗余的管理。對(duì)于上層來(lái)說(shuō)，具有相同的接口，為了監(jiān)督冗余，LRE為每次發(fā)送的報(bào)文增加32位的冗余控制標(biāo)志（Redundancy Control Trail，RCT），并在接收端去掉此標(biāo)識(shí)。

兩個(gè)適配器與兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)A、B連接，上層應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)接通過(guò)LRE連接。LRE實(shí)現(xiàn)報(bào)文的雙發(fā)雙收。LRE當(dāng)收到上層應(yīng)用傳來(lái)的發(fā)送報(bào)文時(shí)，會(huì)將報(bào)文加上網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符后復(fù)制成兩份，然后，從A、B網(wǎng)的物理層發(fā)出，這樣在兩個(gè)局域網(wǎng)中會(huì)有相同的報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)。即使其中一個(gè)局域網(wǎng)的報(bào)文失效時(shí)，另一個(gè)局域網(wǎng)也會(huì)將報(bào)文送達(dá)。接收點(diǎn)從A、B網(wǎng)的物理層先后收到報(bào)文，LRE將會(huì)對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別，丟棄后到的報(bào)文，而先到的報(bào)文將會(huì)被去除網(wǎng)絡(luò)識(shí)別后傳送給上層應(yīng)用。并行冗余協(xié)議結(jié)構(gòu)功能圖如圖1。

和其他冗余協(xié)議不同，RPR冗余協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)有網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，實(shí)際上，數(shù)據(jù)是在兩個(gè)獨(dú)立的路徑上同時(shí)傳輸，冗余協(xié)議只是負(fù)責(zé)在發(fā)送源端的復(fù)制及在接收端丟棄多余的報(bào)文。PRP在終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)冗余功能，而不是在交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)。終端節(jié)點(diǎn)連接到2個(gè)獨(dú)立的局域網(wǎng)，使得2個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)本身的故障相互獨(dú)立，從而能有效解決網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)這類需要一定故障恢復(fù)時(shí)間和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)卡故障引起的通信中斷的問(wèn)題，能真正實(shí)現(xiàn)零丟包。

2 無(wú)線局域網(wǎng)冗余通信機(jī)制

圖1 并行冗余協(xié)議結(jié)構(gòu)功能圖

圖2

本文研究的無(wú)線通信方式為基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)通信方式，根據(jù)并行冗余協(xié)議的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備的性能。以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信方式為研究對(duì)象，有三種無(wú)線局域網(wǎng)冗余通信方式。第一種為雙端單射頻設(shè)備冗余（無(wú)線接入點(diǎn)（AP）和無(wú)線客戶端（Client）均為單射頻信號(hào)）。組建通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這種通信方式需要配置兩臺(tái)無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)備和兩臺(tái)無(wú)線客戶端。再將兩端的無(wú)線設(shè)備分別連接支持PRP的交換機(jī)，再通過(guò)交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。配置時(shí)，兩條無(wú)線通信鏈路盡可能選擇不同的頻段，避免信號(hào)相互干擾。

第二種為單端雙射頻設(shè)備冗余（無(wú)線接入點(diǎn)或者無(wú)線客戶端其中之一為雙射頻設(shè)備，另一方為單射頻設(shè)備）。這種通信方式中單端雙射頻設(shè)備數(shù)量為一臺(tái)，而另一端的單射頻設(shè)備為兩臺(tái)。通過(guò)兩條無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)冗余通信。配置需要單射頻設(shè)備端再連接一個(gè)支持PRP協(xié)議的交換機(jī)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)目前無(wú)線局域網(wǎng)通信頻段為2.4GHz和5GHz。這種方式中，無(wú)線局域網(wǎng)通信中的雙射頻設(shè)備須同時(shí)運(yùn)行在2.4GHz和5GHz頻段上，即無(wú)線設(shè)備支持PRP。圖3所示是以無(wú)線客戶端為雙射頻設(shè)備建立的無(wú)線通信架構(gòu)。

第三種為雙端雙射頻設(shè)備冗余（無(wú)線接入點(diǎn)和客戶端均為雙射頻設(shè)備）。這種通信方式是采用一臺(tái)無(wú)線雙射頻接入點(diǎn)設(shè)備和一臺(tái)無(wú)線雙射頻客戶端設(shè)備組成無(wú)線通信鏈路。要求這類無(wú)線接入點(diǎn)和客戶端設(shè)備均應(yīng)支持PRP。這也意味著無(wú)線接入點(diǎn)和客戶端設(shè)備不需要再通過(guò)連接支持PRP的交換機(jī)才能接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種方式對(duì)無(wú)線設(shè)備的性能要求非常高。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 無(wú)線局域網(wǎng)冗余通信性能對(duì)比

針對(duì)上述三種冗余方式進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合有線通信方式和普通無(wú)線局域網(wǎng)通信方式進(jìn)行對(duì)比。

圖3

圖4

測(cè)試選擇空曠的場(chǎng)地，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)其他干擾信號(hào)。測(cè)試設(shè)備相距30米，并保持相對(duì)移動(dòng)。測(cè)試設(shè)備選擇型號(hào)為“BAT-RCNWW9ACC99AO7T1S99PZH”的赫斯曼無(wú)線通信設(shè)備，配置天線型號(hào)為“BAT-ANT-N-MiMoDB-11N-IP65”。該無(wú)線通信設(shè)備即可做無(wú)線接入點(diǎn)也可以做無(wú)線客戶端。測(cè)試工具為“ATKKPING”,測(cè)試時(shí)間為連續(xù)24小時(shí)，測(cè)試5種通信形式的延時(shí)時(shí)間和抖動(dòng)情況。延時(shí)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如表1：抖動(dòng)分析結(jié)果如表2。

表1

表2

該測(cè)試結(jié)果僅能說(shuō)明測(cè)試設(shè)備的情況，對(duì)不同品牌的無(wú)線設(shè)備不具備參考意義。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，采用雙端單射頻設(shè)備冗余方式進(jìn)行無(wú)線通信穩(wěn)定性最好。

4 無(wú)線局域網(wǎng)冗余通信在電機(jī)工廠集成中的應(yīng)用

某電機(jī)線圈自動(dòng)化生產(chǎn)線總長(zhǎng)66米，總寬7.5米，其中，兩側(cè)留有2米的過(guò)道和操作空間。生產(chǎn)線由三維桁架系統(tǒng)、自動(dòng)定位臺(tái)及倍速鏈輸送線組成的智能輸送系統(tǒng)和由繞線機(jī)、包保護(hù)帶機(jī)、漲型機(jī)、包帶機(jī)、包鼻端工作臺(tái)組成的線圈成型設(shè)備構(gòu)成。生產(chǎn)線設(shè)備布置如下圖5所示。

圖5 電機(jī)線圈自動(dòng)化生產(chǎn)線布置圖

三維桁架系統(tǒng)作為生產(chǎn)線中工件的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，由于生產(chǎn)節(jié)奏快（沿生產(chǎn)線方向運(yùn)行速度達(dá)到1m/s），且與各生產(chǎn)設(shè)備需要進(jìn)行頻繁交互。還需要實(shí)現(xiàn)桁架與桁架之間的防碰撞保護(hù)。穩(wěn)定可靠且實(shí)時(shí)性好的通信，則是必不可少的基礎(chǔ)條件。采用有線的現(xiàn)場(chǎng)總線方式通信成為首選方案，但是，考慮到桁架運(yùn)行速度快，單臺(tái)桁架系統(tǒng)運(yùn)行距離遠(yuǎn)。桁架高速移動(dòng)過(guò)程中如果采用有線連接方式，即將電纜安置在移動(dòng)拖鏈中跟隨桁架移動(dòng)）容易造成電纜損壞引起設(shè)備故障甚至導(dǎo)致人員損傷。采用可靠的無(wú)線通信方式則是更為合適的選擇。項(xiàng)目中，與集控PLC連接的交換機(jī)配置成支持PRP的交換機(jī)，該交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接兩臺(tái)無(wú)線接入點(diǎn)設(shè)備。單臺(tái)桁架設(shè)備控制系統(tǒng)中需要增加一臺(tái)支持PRP的交換機(jī)，用于連接兩臺(tái)無(wú)線客戶端。通過(guò)上述配置可實(shí)現(xiàn)桁架系統(tǒng)與集控PLC系統(tǒng)穩(wěn)定而高效的無(wú)線通信。

無(wú)線局域網(wǎng)的并行冗余通信除了在電機(jī)工廠中系統(tǒng)集成應(yīng)用外，還可以應(yīng)用到諸多不便有線方式通信且對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，如熱處理工件自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中、高速AGV等場(chǎng)合。但是，無(wú)線局域網(wǎng)的并行冗余通信方案建設(shè)成本比較高，無(wú)線通信鏈路兩端都需要增加支持并行冗余協(xié)議的交換機(jī)，且對(duì)無(wú)線設(shè)備的性能要求高。同時(shí)，對(duì)于無(wú)線信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)充分考慮使用環(huán)境、建設(shè)成本等等綜合確定該方案的實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)的并行冗余通信原理及三種冗余機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，并對(duì)通信方案進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。最后，對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)并行冗余通信在電機(jī)線圈自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用情況進(jìn)行說(shuō)明。隨著無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，不久的將來(lái)，更加廉價(jià)成熟的無(wú)線通信技術(shù)將會(huì)得到應(yīng)用。