SCALANCE W 工业特性使用指南

1   iQoS

1.1  概述

无线通讯是未来自动化的发展趋势之一，应用越来越广泛。西门子推出SCALANCE W用于工业无线局域网的通讯，具有安全、可靠、耐用的特点。可以替代有线，实现可靠的通信连接。不过在使用SCALANCE W的无线接入点AP和客户端之间实现基础架构的通讯的过程中，AP和客户端基于DCF的方式进行。也就是客户端与AP之间通过协商，某一时刻只能有一个客户端与AP进行通讯，其它的客户端只能等待直到该客户端与AP完成通讯后，其它客户端之间再次竞争与AP建立连接进行通讯。

iQoS就是接入点AP给某一客户端或某些客户端预留一定的带宽。这种预留是给被预留的客户端的数据通讯预留了一段周期。这种技术对于要想获得固定的响应时间是非常有效的。对于非被预留带宽的客户端来说，不会保证其数据响应的时间，尤其是网络负载很大的情况下，AP只是保证预留客户端的响应时间。对于通讯要求响应时间严格的情况下，注意数据报文的大小，计算时需要添加报文头，例如S7通信，TCP报头，IP报头等等。对于SCALANCE W的无线接入点AP来说，可以预留的客户端的个数最多为4个。这种技术保证了响应时间。

1.2  网络拓扑图

根据图 1的网络拓扑图设置PG/PC的IP地址，使用PST软件设置SCALANCE W788的IP地址。另外可以使用PG/PC通过IE浏览器来直接连接调试SCALANCE W。

图 1：网络拓扑图

1.3  网络组态及参数设置

组态IP地址为192.168.9.88的SCALANCE W788-2RR为AP，其SSID设为DG-SIEMENS WLAN，组态另外两个SCALANCE W788-1RR为客户端1和客户端2，连接到AP上进行数据通信。

首先，iQoS功能仅在SCALANCE W788作为接入点AP时才能使用，而且不能操作在iPCF模式下。如图 2所示，设置iQoS功能如下所示：

在IFeatures——>iQoS——>WLAN1标签下单击New按钮，弹出如下界面，设置MAC地址为客户端1的MAC地址。

图 2

如图 3所示设定响应时间为15ms，这个时间表示了从AP到客户端的数据传输时间。激活使能键后，这样就在AP中为客户端1的数据通信保留了带宽——200kbit/s。其状态值为“CC”，即客户端1是设定为对响应时间有严格要求的客户端，而且满足了设定的带宽和响应时间的要求。

图 3

同时如图 4所示，我们可以查看Information——>iQoS标签下客户端的相关iQoS数据。第一个数据状态“NCS”代表客户端2对响应时间和最小带宽没有严格要求，第二个数据状态“CC”代表客户端1对响应时间和最小带宽有严格要求。

图 4

2   iPCF

2.1  概述

首先我们描述在无线网络中处理数据通信的两种方法：DCF和PCF。

在分散协调功能DCF中，所有的节点始终“对自己负责”。只有当一个节点的频率上不存在待处理的信号，并且接收器在收到了发给自己的信息后，发出一个发送成功的确认信号给发送器后，这个节点才开始进行数据发送。

DCF不保证在最大的时间间隔内能传送特定的数据量。因此，DCF主要适合于异步数据传输(例如电子邮件或网络浏览)。使用DCF并不能防止出现隐藏节点问题。

另外，通过使用RTS/CTS方法，可以增加某些DCF网络的数据吞吐量。两个发送器同时试图使用频率，可使用RTS/CTS方法避免冲突。想要发送一个或大量数据的发送器在发送数据帧之前首先登记自己行为，方法为先发送一个短的发送请求“RTS”通知自己的发送请求。只有当它收到一个清除发送“CTS”响应信号时，才实际发送数据帧。借助于这种方法，可以大大减少重复发送，因为在发送大的数据包之前就检测到了冲突。

点协调功能PCF是描述802.11标准定义的一种接入方法；但是并不强制执行该方法。该方法可以避免DCF方法的一些不利因素。

在PCF中，并非所有的网络节点都有同等的权力，而是只有一个或者多个接入点作为网络中的中央管理者。一个接入点为其它节点(即客户端)分配时隙，在这些时隙内将频率保留给这些客户，它们可以不受干扰地发送信息。

PCF能够为客户分配定期的网络接入并确保在特定的时期传输数据。因此，PCF更适合于需要连续数据流的应用。但是如果通信需要的话，可以在时隙内将网络在DCF和PCF之间切换。

由SIEMENS开发的“工业点协调功能”iPCF可以替代PCF，它解决了与PCF有关的许多问题并允许快速漫游。快速漫游是指客户端从一个无线区域快速切换到另一个无线区域的过程，在这个过程中，客户端的退出和重新登录即“移交”发生得非常快，可以满足通信的实时性要求。

在iPCF中，接入点以非常短的时间间隔定期轮询其无线覆盖区域内的客户端。客户端可以登记自己想要发送长数据帧的要求，但是只有在得到接入点的允许之后才开始发送。

这些属性带来了下来影响：

1)         可以将接入点配置为以非常高的频率执行轮询。这将可以确保非常短的响应时间——确定性的传输。

2)         较大的、对时间要求不高的信息的传输被延迟，直到出现空闲的周期时间。

3)         由于轮询周期非常短，如果客户端失去了与其接入点AP的联系，它可以迅速发现这一情况，并且可以迅速与一个替代的接入点重新建立连接。从一个接入点切换到另个接入点典型的“移交”时间为20 ms ～ 30 ms，因此近似于PCF所需周期的十分之一。

4)         通过简化重新登录或身份验证方法可以进一步加速移交过程。

iPCF为要求实时性较高(几十毫秒范围)的工业应用提供WLAN功能。该领域还包括PROFINET IO设备的无线连接。iPCF的劣势是不能兼容非iPCF组件。混合网络(其中的部分组件通过DCF/PCF进行连接)不再能够使用iPCF。

“快速漫游”是指当一个移动网络节点从一个无线区域移动到另一个无线区域时，快速地重新建立连接。传统的漫游方法在这种情况下重建连接通常需要几百毫秒的时间；这个数值对于很多应用都太大了。

为了避免这种情况，W788-1RR和W788-2RR接入点和W747-1RR客户端模块使用“iPCF”方法，它是PCF的一种改进。

移交时间就是通信在一个无线区域内中断到在另一个无线区域内恢复之间经历的时间。iPCF将移交时间降低到小于50 ms，因此可以确保整个网络内几乎不间断的通信，也包括移动节点，如图 5所示。这种方法改变了数据帧的协议结构，不再允许同时存在DCF (“分布式协调功能”)。所有的网络节点不得不使用iPCF，不能再使用混合网络。

图 5：通过RCoax电缆实现快速漫游

2.2  网络拓扑图

图 6：网络拓扑图

2.3  网络组态及参数设置

首先在STEP7管理器中组态S7-300 CPU与ET200S PN的Profinet IO 通信。

图 7

双击以太网线PROFINET-IO System（100），打开属性设置，设置更新时间为128ms。

图 8

根据图 6的网络拓扑图设置PG/PC的IP地址，使用PST软件设置SCALANCE W788的IP地址。另外可以使用PG/PC通过IE浏览器来直接连接调试SCALANCE W。首先组态SCALANCE W788作为无线接入点AP模式。如图 9所示，在IFeatures——>iPCF标签下使能iPCF功能，点击“Set values”会弹出对话框，系统将会自动设置iPCF的默认模式。

图 9

如图 10所示，包括通信速率和最大数据长度等参数。

图 10

设置客户端，如图 11所示，必须设置想要连接的无线接入点AP的SSID，因为在“Connect to ANY SSID”模式下，iPCF无法使用。

图 11

设置iPCF功能，如图 12和图 13所示，点击“Set values”会弹出对话框，系统将会自动设置iPCF的默认模式。

图 12

图 13

因为客户端连接了ET200S PN，和带PN口的S7-300 CPU进行PN IO通信，所以MAC模式设置为Layer 2 Tunnel，如图 14所示，这个模式也同样适用于客户端连接有多个ET200S PN的通信。

图 14

这时，对无线接入点AP和客户端进行重启后，会发现S7-300 CPU与ET200S PN建立了Profinet IO通信。

3   强制漫游

3.1  概述

强制漫游是指在IP连接断掉的情况下循环监控一个特定的IP地址。强制漫游是通过ICMP报文实现的（Echo请求/回复或Ping功能）。当IP连接断掉时，即从通信方没有ping包返回，这时一个取消认证的报文帧将会发送到所有WLAN的客户端，相应的WLAN接口被禁止。

IP连接继续被监控，并且只要无线接入点AP接收到从通信方返回的ping包，那么WLAN接口被使能。这种机制可以监控在无线客户端和服务器之间的连接。如果不能经过无线接入点访问服务器，那么客户端就被取消认证并且无线接入点的WLAN接口被禁掉。客户端开始漫游然后连接到一个不同的服务器能够访问的无线接入点。只要第一个无线访问点能够再次到达服务器，它就重新使能WLAN接口。

注意：在IP连接断掉时的强制漫游不能在同样的WLAN接口上与iPCF或WDS联合使用。

3.2  网络拓扑图

图 15：网络拓扑图

3.3  网络组态及参数设置

S7-300 CPU通过交换机与作为AP的SCALANCE W788-1RR和SCALANCE W788-2RR进行有线局域网LAN连接，ET200S PN直接连接到SCALANCE W客户端上。根据图 15的网络拓扑图设置PG/PC的IP地址，使用PST软件设置SCALANCE W788的IP地址。另外可以使用PG/PC通过IE浏览器来直接连接调试SCALANCE W。

如图 16所示，首先设置PC的以太网地址为192.168.9.158/24，与所连接以太网设备都在同一个网段上。组态SCALANCE W788-1RR的IP地址为192.168.9.82/24。

图 16

如图 17所示，在System标签下，组态SCALANCE W788-1RR作为无线接入点AP模式。设置相应的国家代码以及系统名称等参数。

图 17

同样组态SCALANCE W788-2RR为AP点，IP地址为192.168.9.88/24，如图 18所示，其SSID与前一个AP是相同的，都设置为DG-SIEMENS WLAN。

图 18

同时组态工作在客户端模式的SCALANCE W788，如图 19所示。

图 19

因为客户端连接了ET200S PN，和带PN口的S7-300 CPU进行PN IO通信。如图 20所示，MAC模式设置为Layer 2 Tunnel，这个模式也同样适用于客户端连接有多个ET200S PN的通信。

图 20

如图 21所示，使客户端连接到SSID为DG-SIEMENS WLAN的网络上。

图 21

这时如图 22所示，客户端与第一个AP点已经建立起了连接。

图 22

如图 23所示，设置SCALANCE W788-1RR工作在强制漫游模式下，打开IFeatures——>Forced Roaming标签项，设置目标IP地址为PLC的IP地址，其他参数采用默认设置。

图 23

如图 24所示，第二个无线接入点AP的客户端列表为空：

图 24

这时，当有线连接的AP点出现电缆断线等故障时，它所连接的客户端会自动漫游到无线信号强度更强的第二个AP点，这样可以保证连接的可靠性。

当拔掉与第一个AP点的工业以太网连接后，可以看到S7-300 CPU与ET200S PN 的PN IO通信仍然保持。如图 25所示，客户端被强制漫游到第二个AP点。

图 25

如图 26所示，此时另一个AP的认证记录里多了两条客户端进行重新登录的内容。

图 26

关键词
工业特性，iQoS，iPCF，强制漫游

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