S7–1500遇上工业无线AP:一个立体仓库无线网络故障诊断分析案例

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XXX公司的立体仓库项目由XXX公司承接。立体库分两层，立库一层是由三个堆垛机构成，如下图1所示：

图1、立体库中的堆垛机
     
        每个堆垛机都运行U型轨道上负责运送相邻两个巷道的货物，且每个堆垛机可以对其左右两侧的四个货架（每一边可对两个并列的货架操作）进行存取货物。U型轨道如下图2所示：

图2、U型轨道
      
        每个U型轨道一侧的双列货架（堆垛可以把伸缩臂伸入到一边的第二个货架），这样一个堆垛机通过U型轨可对8列货架操作，货架上的物品的材质为金属制品且货架上存放满了货物如下图3所示。

图3、货架上的货物


        立体库的二层是由两个堆垛机构成，如下图4所示：

图4、二层的堆垛机


        二层的每个堆垛机和一层的堆垛机一样也可运行U型轨道上负责运送相邻两个巷道的货物，且每个堆垛机可以对其左右两侧的四个货架（每一边可对两个并列的货架操作）进行存取货物。这样一个堆垛机通过U型轨可对8列货架操作。
        现场的堆垛机的调度是由WCS（库存管理系统）通过无线来控制。无线AP与WCS通过有线连接，无线客户端安装在堆垛机上并通过有线连接着1500 PLC、变频器、编码器等电气控制系统，而ET200SP分布式IO是连接到AP侧的有线上。如下图5一层网络的Profinet网路组态；图6为一层网络的网络拓扑图：

图5、一层网络的Profinet网路组态

图6、一层网络的网络拓扑图


        现场的反映的问题是当无线信号不稳定时就出现ET200SP与S7-1500的PNIO通信中断。ET200SP上连接着急停和安全门信号，ET200SP一但出现掉站就会引起堆垛机停机。
        根据问题描述判断产生的原因有以下几种可能：
            1. 当PNIO通过无线通信时参数没有正确设置更新时间和看门狗时间。
            2.无线客户端与无线AP之间无线通信参数设置的不合理。
            3.现场的无线环境复杂，存在着大量的金属障碍物，按理论计算出的AP安装及天线的安装不能满足实际的环境。
            4.整个控制网络的拓扑结构是否存在不合理，导致逻辑通信链路出现拥塞现象或者网络中接入了一些异常的设备不断发送大量的广播流量影响了网络的正常通信。

        1) 根据上面的分析判断首先检查了PNIO通信参数的设置。对于标准无线应用，PNIO的更新时间如下表1所示：

表1、标准无线方式下的实时通信的参数设置

图7、现场配置的PNIO的更新周期和看门狗时间


        打开用户的TIA portal项目查看ET200SP的更新周期为128ms和看门狗时间为1920ms如上图7所示，完全符合要求。


        2）判断PNIO的更新周期及看门狗设置正确后，需要判断无线客户端与无线AP之间无线通信参数设置的不合理。一层AP的设置如下图8、图9、图10所示：

图8、一层AP的频段及发射功率设置

图9、一层AP的电线及馈线长度设置

图10、一层AP的SSID设置


        查看一层Client1的设置如下图11、图12、图13所示

图11、一层Client1的频段及发射功率设置

图12、一层Client1的电线及馈线长度设置

图13、一层Client1的MAC模式及SSID设置


        从上面的无线AP和无线Client的无线参数设置都符合要求
        
        3）判断无线AP和无线Client的无线参数设置设置不存在问题后，需要判断现场无线的环境及天线的安装情况：
         一层的无线AP布置如下图14所示，立库覆盖面积约为40米*40米的方形1个SCALANCE W774-1 AP布置在中心的位置；
        二的无线AP布置如下图15所示，立库覆盖面积约为80米*40米的长方形2个SCALANCE W774-1 AP布置两个40米*40米的方形中心的位置

图14、一层AP安装位置图

图15、二层AP安装位置图


        从理论的计算，这样布置AP是没有问题的。需要实地勘察一下现场的无线环境，发现现场的环境对于无线来说非常的恶劣。一是货架的密度非常高，这样容易造成无线信号遮挡；二是货架上部分区域已经装满装有金属材质货物，这样更加容易造成无线信号衰减。如下图16、图17和图18所示：

图16、一层货架密度

图17、一层部分已经装满金属材质货物

图18、二层部分已经装满货物及货架密度


        从上面的图中可以得出的结论，理论计算的无线AP及天线的安装不能满足实际应用环境！此时只能实测实际环境下的无线的信号的强度。
        测试方式是人站在堆垛机上通过有线连接到一层的Client3上，然后开启无线信号记录，让堆垛机沿着U型轨道连续运行几次，堆垛机运行的方向如图19所示，测出实际环境下的无线信号的强度如下图20所示：

图19、一层堆垛机3运行轨迹

图20、一层Client3无线信号的记录


        从上面的测试结果得出的结论：
            ①、堆垛机在U型轨道的出货口时信号非常弱，已经低于-80dBm，这个位置是距离AP最远的点，且这段货架已经放满了金属材质货物。
           ②、堆垛机运行到中间的位置时，此时是距离AP比较近的位置的时候，信号的强度在强的时候可以达到-60 dBm以上
            ③、在U型轨的部分时的信号强度要高于出货口的信号强度，原因是出货口的货架放置了货物而在U型轨部分的货架为空货架，所以同为距离AP最远的位置，但放置货物的部分信号衰减的更厉害。  
        通过上面的测试再次验证了现场的环境对无线通信来说非常恶劣。不能满足PNIO通信对信号强度的要求远远不能满足保证在-65 dBm以上。可以通过实测的数据来说明信号质量在此环境中极度的差。见表2；

   

表2、信号强度记录表及实际的通信速率


        查看一下天线安装是否正确，如下图21、图22和图23所示：

图21、客户端的天线的安装

图22、AP的天线的安装

图23、无线AP在平面上安装位置


        从上面图可以得出的结论:
            ①、AP的安装位置现在是最合理的位置，综合考虑整体的信号覆盖此位置最佳位置。
            ②、AP的天线安装正确
            ③、Client的天线安装正确。   
       在上面天线安装正确的情况下，信号还如此的差，说明此环境不适合使用全向天线的方案，应该使用推荐的Rcoax漏波电缆的方案，沿着U轨道铺设电缆这样保证客户端与AP之间的无线不受货架及存储货物的影响，如图24所示。这样可以保证信号强度的质量。

图24、Rcoax方案的示例


        通过SINEMA Server扫描现场的网络，在事件信息中提示WLAN的信号过低并接收错误率过高如图25所示：

图25、SINEMA Server诊断到无线信号质量非常差


        在Sinema Server显示的需要维护的设备都为SCALANCE W无线AP和无线客户端，都是因为信号质量太差！如图26所和图27所示：

图26、需要维护的设备都为SCALANCE W

图27、信号强度过低


文章来源：智能制造之家

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