西门子无线 iFeatures 功能-助力 PROFINET 无线传输的利器

1.概述

工业数字化进程中，对于工业网络的依赖性持续增加，通过工业无线局域网（WLAN）已经应用在众多工业现场的解决方案中，例如通过移动无线连接的自动导引小车（AGV）系统以及起重机应用等。

西门子 SCALANCE W 系列无线通信产品可以完美地满足无线通信需求。

针对工业环境中的需求，西门子为 SCALANCE W 产品开发了多种特定功能，即 iFeatures（工业特性）功能。

iFeatures 功能可以通过相应的 KEY-PLUG 或 CLP 扩展卡实现，工程师仅需要在 IWLAN 访问点及客户端模块的组态界面中简单地激活即可。

iFeatures 各种功能优点：

• 实现可靠的实时通信

• 无缝冗余实现无线通信的高可用性

• 安全的IWLAN 通信

2.iFeatures

作为一个无线系统，无线局域网几乎是"全能"的，它几乎适用于任何区域，从家庭客厅到办公室或工业生产现场。虽然不同场合的无线局域网在技术方面有着相同的基础，但对于不同应用场合却有着不同的要求。尤其是在工业环境中，可用性和可靠性尤为重要。

在这种情况下，iFeatures 功能可以将一个简单的 WLAN 转换成可靠的工业 WLAN （IWLAN）。

iFeatures 功能中最常用是以下几种：

• iPCF（Industrial point coordination      function，工业点协调功能）

• iPCF-MC（iPCF – Management Channel，工业点协调功能-管理信道）

2.1iPCF

 【 DCF vs. PCF】

根据 IEEE802.11 标准，对于无线介质的访问，是由协调功能所管控的，大部分的无线传输均采用的是 DCF（分布式协调功能）。

和有线以太网网络一样，设备尝试传送任何数据之前，无线设备必须检查介质是否处于闲置状态。若处于忙碌状态，必须延迟访问，多个无线设备之间等于采用竞争的方式占用无线资源。

如果需要用到免竞争服务，则可通过架构于DCF 之上的 PCF 点协调功能来管控。

PCF提供的是免竞争服务，它是标准 802.11 标准中定义的另一种介质访问方法， PCF模式下，一个或多个“接入点”充当网络中的中央管理员，接入点为各个客户端分配无线介质的访问时间，保证数据传输不会受到干扰，相应的，由于各个站始终知道何时访问介质，因此无需执行冲突避免。

相比DCF 的竞争方式来说，PCF 更像是一种轮询占用无线资源的方式。

下图表明了对于DCF及PCF两种协调方式，在时间轴上多个客户端对于介质访问的区别：

DCF 无法保证在某个时间段内传输特定量的数据，但是，由于具有各种 “监听机制”，因此其具有抗干扰因素的优点。

DCF 主要适合异步数据传输（如电子邮件或 Web 浏览器）。由于各节点相互监测，DCF 并不是确定性的，只能在有限程度上用于实时应用，如果进行PROFINET IO 通信，一般需要设置更大的 PROFINET  更新时间及看门狗时间。

借助于 PCF，可以确保站对网络进行固定且“公平”的访问。在特定时间段内，数据传输相应得到保证。因此，PCF 最适合需要有连续数据流的应用，如同步数据传输、视频或音频流以及过程值。但是由于时间片的固定分配，PCF 的带宽较小，并且与 DCF 相比更容易受各种因素干扰。

 【 iPCF】

iPCF（Industrial PCF，工业点协调功能）是西门子对 PCF 的进一步开发，用于解决 PCF 所存在的多个问题，此外，iPCF 可以使得客户端在漫游时更加迅速，保证实时通信需求。 

通过 iPCF，AP 访问点可以周期性地以很短的时间间隔依次轮询客户端，这些客户端响应相应的数据帧，同时宣告它们需要发送更多的数据帧，然而，直到访问点根据需要再次轮询时，客户端才会发送这些数据帧。

iPCF 的特性如下：

• AP 访问点可以周期性地以很短的时间间隔依次轮询客户端，这确保了每个客户端具有很短的响应时间（确定性传输）和漫游时间。

• 其它非时间关键数据的传输被推迟到有可用的空闲周期时间。

• AP 与某个客户端通信时发送的数据信号，也会被其它客户端接收到，接收到的客户端会根据无线信号判断无线链路的质量。

• 由于轮询间隔时间较短，客户端可迅速地确定是否仍存在与接入点的连接。如果连接丢失，那么客户端可以快速响应，与备用接入点建立连接。

• 在 iPCF 模式中，漫游切换时间明显低于50 ms。

• 接入点下的客户端的节点数会影响 iPCF 周期时间， 每个客户端的传输时间约等于 2 ms。

这意味着通过 iPCF，基于二层的实时工业应用可以在几十毫秒的时间范围内通过 WLAN 实现，PROFINET IO 设备的通信需求一般位于此时间范围内，iPCF 的工作特性能够很好的保证 PROFINET 在无线上的实时性。

2.2 iPCF-MC

 【 原理  】

iPCF-MC ：在客户端收到接入点发来的 iPCF 查询，且存在与接入点的有效连接的情况下，客户端也会搜索潜在的合适接入点。这就意味着在需要切换到另一个接入点时，可以实现极快地切换。与 iPCF 不同的是，iPCF-MC 的切换时间不取决于正在使用的无线信道数量。

使用 iPCF-MC 功能时，需要接入点具有两个无线接口。iPCF-MC 以不同方式使用接入点的两个无线接口：一个接口作为管理信道运行，以较短间隔发送带有管理信息（例如，数据信道的信道设置和 SSID）的信标信号。另一个接口（数据信道）仅传输用户数据。

【 配置示例 】

不同 AP 的管理信道需要位于相同频段：

不同 AP 的数据信道需要位于不同频段，不能互相干扰：

3.iFeatures 与 PROFINET IO 应用

PROFINET 是一种开放的基于工业以太网的产品标准，PROFINET IO 被设计用于实时数据交换，因此对于网络的实时性有严格的要求。

WLAN 网络基于共享介质，传统的 DCF 的工作模式下，无线设备很难和接入点之间保持一个固定的数据更新时间，尤其是在无线设备比较多的情况下，DCF 的竞争机制无法满足PROFINET 高实时性的要求，因此 PROFINET IO 通信在标准 WLAN 网络中仅能在有限的或特定的条件下实现。

通过西门子 SCALANCE W 系列产品专有的 iFeatures 功能 iPCF 和iPCF-MC， 能够确保无线接入点和客户端之间保持一个相对固定的刷新间隔，这样的工作模式能够大大确保 PROFINET 的实时通信，而且快速漫游的特性，确保漫游过程不会导致 PROFINET 的掉站。

由此可见，iFeatures 功能为 PROFINET 在无线上的应用提供了有力的保证！

4.结语

在工业无线通信网络设计或应用中，如果存在实时通信以及快速漫游的需求，那么可以选择相应的 IWLAN 产品并且激活 iFeatures 功能，从而实现特定场景下的无线通信应用，满足工业生产的需要。

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