Nowa redundancja PRP poszerza przemysłowe zastosowania bezprzewodowe - część 1 z 2

Julia Santogatta

Kilka miesięcy temu zapytaliśmy, czy przestałeś odkładać projekty bezprzewodowe na później. Powodem, dla którego o to pytaliśmy, jest fakt, że dzięki nowym postępom w technologii i standardach, prawdopodobnie nadszedł czas, aby znowu spojrzeć na bezprzewodowe urządzenia przemysłowe.

Jednym z najczęstszych problemów związanych z łącznością bezprzewodową w przypadku najważniejszych zastosowań o znaczeniu krytycznym była zawsze - i nadal jest - niezawodność. Czy będzie działać w otoczeniu, gdzie występują liczne zakłócenia? Czy będzie wystarczająco odporna, aby Twoje dane dotarły do ​​celu? Czy kiedykolwiek zapewni Ci pewność, której potrzebujesz, że będzie wystarczająco stabilna?

Są to dobre pytania. Do tej pory opracowano wiele technik i przewodników planowania, aby odnieść się do tych problemów. Nie było jednak zintegrowanego, wypróbowanego i prawdziwego rozwiązania, które naprawdę zapewniłoby to, czego tak bardzo potrzebujesz - zero awarii, zero utraty danych.

Ostatnie postępy w technologii i standardach zmieniły to. Sprawiły one, że przemysłowe zastosowania bezprzewodowe stały się bardziej stabilne, niezawodne, szybkie, bezpieczne i o wiele łatwiejsze do wdrożenia. Jest tak po części dzięki zastosowaniu zaktualizowanego i udoskonalonego protokołu o nazwie Parallel Redundancy Protocol (PRP).

W tej pierwszej części dwuczęściowej serii o technikach redundancji dla niezawodnych przemysłowych bezprzewodowych sieci lokalnych (WLAN) wyjaśnię, dlaczego technologia PRP sprawia, że ​​bezprzewodowe produkty warte są ponownego rozważenia.

Przemysłowe zastosowania bezprzewodowe przeszłości

Tradycyjnie, bezprzewodowe sieci LAN są używane w przemyśle, gdy:

·   Kabel jest zbyt ciężki dla danego zastosowania

·   Kabel nie będzie działał w trudnych warunkach danego zastosowania.

·   Kabel jest niemożliwy do użycia, ponieważ zastosowanie obejmuje mobilne maszyny lub pojazdy.

Jednak niezawodność i jakość usług połączeń bezprzewodowych były problematyczne, gdy:

·   Zastosowanie miało ścisłe wymagania dotyczące zgodności i opóźnień.

·   Zastosowania o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa były uruchamiane przez połączenie bezprzewodowe.

·   Wymagany był wysoki poziom niezawodności pomimo niekorzystnych warunków.

Na przykład systemy wideo, które wykonują ważne zadania, takie jak bezpieczeństwo komórek lub monitorowanie wnętrza pociągów, często okazywały się problematyczne ze względu na ich czułość. Inne przykłady, które często budzą niepokój, to wykorzystanie sieci WLAN do kontrolowania przepływów pracy w produkcji lub gromadzenia danych o jakości w regulowanym środowisku.

Wszystkie te przykłady są wrażliwe na przerwy, opóźnienia i utratę pakietów danych. Przerwy w sieci mogą szybko prowadzić do poważnych problemów, takich jak zatrzymywanie pojazdów lub wstrzymywanie produkcji, co prowadzi do znacznych kosztów przestojów.

Protokół równoległej redundancji - tworzenie redundancji poprzez podwajanie pakietów

W przewodowych sieciach przemysłowych Ethernet od dawna stosowane są techniki redundancji, aby zapewnić ciągłość działania sieci nawet w przypadku awarii poszczególnych połączeń.

Często wiąże się to z wykorzystaniem PRP zgodnie ze standardami IEC 62439. Rezultatem jest płynna redundancja bez opóźnień i bez strat.

Aby to osiągnąć, "Skrzynka redundancji" lub "Skrzynka red" duplikuje i przesyła pakiety danych jednocześnie na dwóch różnych ścieżkach sieciowych. Zanim zduplikowane pakiety zostaną dostarczone poza te ścieżki sieciowe, strumienie równoległe zostaną połączone, a duplikaty zostaną usunięte.

Jeśli pojedyncza ścieżka zawiedzie, zostaną użyte pakiety z drugiej ścieżki. Zastosowanie korzystające z tej sieci może zatem nadal działać bezawaryjnie, pomimo poważnych zakłóceń w sieci (rysunki 1 i 2 pokazują działanie PRP).

Rysunek 1. PRP w niezawodnej sieci: dwie redundantne ścieżki są używane jednocześnie. Pakiety powielone w punkcie 5; duplikaty są odrzucane w punkcie 1.

Rysunek 2. PRP w sieci o wysokiej niezawodności: awaria wystąpiła w sieci A, a pakiet 3 nie przybył, jednak wykorzystuje się pakiety z drugiej ścieżki sieciowej, bez żadnych wynikających z tego czasów przełączania.

PRP ma duży wpływ na przemysłowe zastosowania bezprzewodowe

Świetnie, więc prawdopodobnie już jesteście zaznajomieni z PRP, ponieważ był on używany od lat w standardowych, przewodowych sieciach. Intrygująca część pochodzi jednak z zastosowania PRP w środowiskach bezprzewodowych - gdzie jego wpływ jest jeszcze ważniejszy niż w scenariuszach przewodowych.

Dzieje się tak dlatego, że równoległa redundancja zapewnia nie tylko zerową awaryjność; można ją również wykorzystać do skompensowania nieodłącznych zakłóceń na małą skalę (np. interferencji), które mogą wystąpić w połączeniach bezprzewodowych.

Gdy PRP przesyła pakiety jednocześnie na dwóch różnych ścieżkach transmisji bezprzewodowej (rysunek 3), można wyeliminować wpływ strat pakietów pojedynczej ścieżki.

Nieskorelowane straty pakietów nie są dostrzegane przez zastosowania korzystające z PRP, ponieważ błąd transmisji lub błąd odbioru występuje tylko wtedy, gdy obie ścieżki zawodzą jednocześnie dla dokładnie tego samego pakietu.

Rysunek 3. PRP na dwóch ścieżkach transmisyjnych WLAN: redundantna transmisja kompensuje straty pakietów i równoważy obciążenia i związane z interferencją różnice czasowe.

Poza tym drgania i opóźnienia również zostały znacznie zredukowane. Gdy PRP jest używany do jednoczesnego przesyłania pakietów na dwóch różnych ścieżkach transmisji, efekty interferencji lub opóźnień są prawie wyeliminowane. Jak widać na rys. 3, opóźnienie pakietu 5 w sieci B nigdy nie było dostrzegane przez sieć, ponieważ najszybszy pakiet będzie zawsze używany w punkcie eliminacji.

Chociaż mechanizmy używane przez PRP są takie same zarówno w scenariuszach bezprzewodowych, jak i przewodowych (duplikacja i eliminacja pakietów), uzyskany efekt jest bardziej widoczny dla sieci bezprzewodowych. Zalety to:

·   PRP znacznie zwiększa niezawodność, kompensując straty poszczególnych pakietów wynikające z tymczasowych zakłóceń, takich jak zakłócenia powodowane przez inne systemy radiowe.

·   PRP zmniejsza opóźnienie, ponieważ szybszy z dwóch zdublowanych pakietów jest zawsze przekazywany dalej.

·   PRP zmniejsza fluktuacje czasu tranzytu (drgania), ponieważ podobnie jak w przypadku 2, duże opóźnienia są redukowane z fluktuacjami pojawiającymi się tylko wtedy, gdy oba pakiety spóźniają się.

Przemysłowe zastosowania WLAN, które korzystają z PRP

Mam nadzieję, że to sprawiło, że pomyślałeś: "Co mogę z tym zrobić?" "Czy to naprawdę jest o wiele bardziej niezawodne?" "Zerowa awaryjność, zmniejszenie opóźnień i poprawione czasy tranzytu?" Dobrze, ponieważ odpowiedź brzmi "TAK". Przemysłowa sieć bezprzewodowa, a zwłaszcza przemysłowa sieć bezprzewodowa z PRP, nie są już bezprzewodowymi urządzeniami Twojej babci i naprawdę są warte ponownego rozpatrzenia!

Przygotuj się na część 2 tej serii, w której omówimy dodanie różnorodności, co ono oznacza i opiszemy nowe zastosowania dla sieci WLAN o wysokiej dostępności w Twoim środowisku przemysłowym.

Jaka jest Twoja reakcja na wpływ PRP na bezprzewodową sieć przemysłową? Czy przekonuje Cię to, aby ponownie ją rozważyć? Czekam na wiadomość od Ciebie!

Komentarz edytora: Ten artykuł powstał dzięki zaangażowaniu Julii Santogatta, dyrektora Belden odpowiedzialnego za inicjatywy bezprzewodowe i dra Tobiasa Heera, szefa Embedded Development w Belden.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania, wątpliwości czy uwagi, zapraszamy do kontaktu! Jesteśmy do dyspozycji od poniedziałku do piątku w godz. 8:00 – 16:00.

Tel: +48 32 256 25 33

E-mail: info@pf-electronic.pl