《工业网络技术与应用（微课版）》 课件 第7章 工业无线网络技术

天津中德应用技术大学李颖工业控制系统与工业网络第7章工业无线网络技术7.1工业无线通信技术概述工业无线通信技术是在现有智能数字仪表和现场总线技术基础上发展起来的最新技术，它不仅能传送现场设备（如各类变送器）的检测参数的测量值信号（如压力、温度的实时测量值），还可以同时传送多种类型信息，如设备状态和诊断报警、过程变量的测量单位、回路电流和百分比范围、生产商和设备标签等。应用的行业包括石化、冶金、电力、煤炭、烟草、长距离管线、海上石油平台等各行各业。7.1工业无线通信技术概述7.1.1无线通信技术简介无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信技术自身有很多优点，成本较低，无线通信技术不必建立物理线路，更不用大量的人力去铺设电缆，而且无线通信技术不受工业环境的限制，对抗环境的变化能力较强，故障诊断也较为容易，相对于传统的有线通信的设置与维修，无线网络的维修可以通过远程诊断完成，更加便捷；扩展性强，当网络需要扩展时，无线通信不需要扩展布线；灵活性强，无线网络不受环境地形等限制，而且在使用环境发生变化时，无线网络只需要做很少的调整，就能适应新环境的要求。7.1工业无线通信技术概述1.Zig-Bee技术Zig-Bee是基于IEEE802.15.4标准而建立的一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zig-Bee来源于蜜蜂群的通信方式，由于蜜蜂（Bee）是靠飞翔和‘嗡嗡’（Zig）地抖动翅膀来与同伴确定食物源的方向、位置和距离等信息，从而构成了蜂群的通信网络。。2.蓝牙技术蓝牙（Bluetooth）最早始于1994年，由瑞典爱立信研发，截止目前为止已经更新了9个版本，通信半径从几米延伸到几十米，可实现点对点或一点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps，通讯介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。蓝牙技术可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，实现各类设备之间随时随地进行通信。7.1工业无线通信技术概述3.Wi-Fi技术Wi-Fi的全称是Wireless-Fidelity，即无线保真，是无线局域网（WLAN）中的一个标准，是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术。从1999年推出以来一直是是我们生活中较常用的访问互联网的方式之一。4.UWB技术UWB（UltraWideband，超宽带）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。5.NFC技术NFC是一种新的近距离无线通信技术，其工作频率为13.56MHz，与目前广为流行的非接触智能卡ISO14443所采用的频率相同，这就为所有的消费类电子产品提供了一种方便的通讯方式，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准7.1工业无线通信技术概述7.1.2无线局域网（WLAN）WLAN为WirelessLAN的简称，即无线局域网。无线局域网是利用无线通信技术实现快速接入的以太网技术。主要在中短距离覆盖范围内承载高速数据业务，支持固定和移动接入。Wi-Fi是WLAN技术中一项关键技术，由“Wi-Fi联盟”所发布，其核心技术采用了电子电气工程师协会（IEEE）制定的802.11系列标准。WLAN指的是基于IEEE802.11标准并兼容有线以太网的无线局域网络。因此，无线局域网通常被称为无线以太网。在PROFINETRT、EtherNet/IP或Modbus/TCP等基于以太网的自动化网络中，通过WLAN可无线集成自动化设备。7.1工业无线通信技术概述1.WLAN的特点与优势随着各行业数字化趋势愈演愈烈，要实现行业数字化，需要强大的工业通信网络。无线局域网作为核心技术之一，代表着出色的性能和可靠性。1）多台设备构建的大型网络。WLAN具有与以太网相同的特性，即通过多台设备构建大型网络。2）漫游技术支持设备自由移动。WLAN的一个独特优势在于支持设备在网络中移动。大型WLAN网络中的设备可自由移动，从而自动切换无线连接至无线信号较佳的接入点，这一过程即为漫游。WLAN网络的无线场可通过增加接入点无限扩展。3）高性能和高可靠性新型WLAN系统符合IEEE802.11n标准，相比旧WLAN标准，提供高达数百

Mbps的数据速率，传输距离更长，稳定性更佳。7.1工业无线通信技术概述2.IEEE802.11标准IEEE802.11系列标准对各种不同的无线技术进行了规定，如表7-1所示。7.1工业无线通信技术概述7.1.3工业无线局域网（IWLAN）工业无线局域网（IndustrialWirelessLocalAreaNetwork，简称IWLAN），是一种基于无线电技术，用于工业现场和设备之间传输数据的网络。它可以提供无线通信传输，代替传统的有线网络，节省了设备布线和设备移动的时间。1.IWLAN的优势1）高灵活、易使用。2）高可靠、易维护。3）数据传输稳定。4）成本降低。7.1工业无线通信技术概述2.工业无线局域网的应用领域无线网络在工业现场主要应用在设备或环境实现物理连接困难以及技术上不允许或不希望用物理连接的场合，如移动或旋转设备、运动节点、远距离设备管理、障碍物阻隔环境、高危环境等，以弥补有线网络的不足。目前工业无线局域网已经广泛应用于以下领域：1）工业自动化由于工业自动化需要大量的无线传输数据，工业无线局域网是实现智能化和自动化的必要条件。2）机器人机器人使用工业无线局域网可以将大量数据传输到中央处理单元，实现远程操作和监控。3）物流和仓储工业无线局域网可以帮助物流和仓储企业实现设备自动化管理，包括固定和移动装置的追踪和流程优化。7.1工业无线通信技术概述3.工业WLAN与通用WLAN的比较工业WLAN比一般企业办公和家庭应用环境用的WLAN要求要高许多，可归纳如下：

（1）严格的延迟要求：用于现场设备要求延迟不大于10ms，用于运动控制不大于1ms，对于周期性的控制通信，使延迟时间的波动减至最小也是很重要的指标。

（2）确定性性能的保证：保证确定性是对任务执行有严格保证的工业通信系统必备的特性。

（3）支持大量设备挂网，并容许挂网设备的接入数量可随机变化：工业WLAN的接入点约为数百个的数量级。若节点过多和接入的节点数有变化，有可能导致IEEE802.11的MAC协议层效率太低。

（4）网络安全的保证：满足安全保密法规是工业WLAN的基本要求。包括防止黑客用户的侵入及对这些接入点的检测等。7.2工业无线网络设备工业无线通信是数字化转型的关键要素，为向企业提供交换各种数据的基础设施，西门子开发了具有特殊附加功能的专用工业无线局域网产品，以满足工业中WLAN的特殊需求。西门子工业无线通信系列产品都具备高度的可靠性、耐用性和安全性，各组件可在十分恶劣的室内和室外条件下使用。开放式工业以太网标准PROFINET或Ethernet/IP以及PROFIsafe也可确保更高的效率、灵活性和安全性。7.2工业无线网络设备7.2.1西门子SCALANCEW系列产品简介西门子SCALANCEW系列是基于IEEE802.11标准的工业无线局域网产品。具有如下优势：1.投资安全性高。所有产品都符合国际公认标准IEEE802.11，并适用于2.4GHz和5GHz。2.可节约成本。无磨损和破损，从而可节省插入式连接、电缆架等装置的维护和维修成本。3.可实现安全、可靠通信。通过PROFINET、PROFIsafe、Ethernet/IP、CIPSafety和其它自动化协议，无线传输标准信号和故障安全信号。4.高数据传输率。传输率最高可达1733Mbps，适用于要求高带宽和高网络用户密度的应用。5.可维护性强。通过KEY-PLUG或CLPiFeature扩展SCALANCEW产品的特殊工业功能，可以在发生故障时轻松更换设备。6.稳健和灵活。具有IP65防护等级的SCALANCEW设备适用于控制柜外部应用。7.2工业无线网络设备7.2.2西门子无线访问接入点和无线客户端1.西门子SCALANCEW774和W734设备简介SCALANCEW774无线接入点和SCALANCEW734无线客户端模块是为了在控制柜内部使用而开发的。它们可作为控制器或分布式I/O的头部组件，以确保可靠的无线通信。由于具有IP65防护等级，SCALANCEW774接入点和SCALANCEW734客户机模块也可安装在控制柜外部。由于总数据速率高达300Mbit/s且具有可选的iFeatures功能，即使是在要求更加苛刻的应用环境下也可以正常使用。两个设备的外观及设备描述信息如图7-1所示。7.2工业无线网络设备7.2工业无线网络设备SCALANCEW774和W734设备具有如下属性：

（1）具有2个RJ-45以太网接口，支持全双工和半双工10Mbps和100Mbps速率，可实现自动跨接和自动极性变换。（2）具有2个天线接口，可连接ANT795-4MA型号的全向天线。（3）WLAN接口支持IEEE802.11n标准，同时兼容IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g标准，可在2.4GHz和5GHz范围内工作，可实现高速WLAN通信。（4）支持WPA、WPA-PSK、WPA2、WPA2-PSK和IEEE802.1x验证标准，并支持WEP、AES和TKIP加密方法。（5）通过向导和在线帮助实现组态支持；通过Web服务器和SNMP实现轻松管理。7.2工业无线网络设备2.西门子无线访问接入点SCALANCEW774的功能无线访问接入点（wirelessAccessPoint，简称AP）是组建无线局域网时最核心的设备。AP相当于是无线网络中的交换机，是无线网和有线网之间沟通的桥梁。SCALANCEW774无线接入点的主要功能就是将各个无线网络客户端连接到一起，然后将无线网络接入以太网，从而达到无线覆盖的目的。AP的中继加桥接功能可以实现两个无线设备通讯，也可以起到放大信号的作用，保证了传输速度和稳定性；AP的主从模式可以方便网管统一管理子网络，实现一点对多点的连接。SCALANCEW774无线接入点通过MIMO（多输入多输出）技术实现可靠的无线链路，最多可以使用四个流同时进行发送和接收。适用于具有实时和冗余要求的苛刻应用，如PROFINET、PROFIsafe，扩展工业功能尤其适用于高可靠性要求的场合。7.2工业无线网络设备3.西门子无线客户端SCALANCEW734的功能SCALANCEW734是无线客户端（wirelessAccessClient，简称AC），是一种具有WLAN功能的设备，在该设备中永久性安装了一个无线卡。SCALANCEW734客户端模块可保证实时无线通信，在满足极高带宽要求的情况下保持稳定运行。该节省空间的客户机模块适合需要将设备安装在控制柜内的应用。由于采用SIMATIC设计，SIMATICS7PLC、ET200SP等自动化组件可无缝集成到工业WLAN中，可以节省控制柜内的空间。7.2工业无线网络设备4.全向天线和定向天线在工业无线局域网中使用的天线主要有全向天线和定向天线两种，其外观如图7-3所示。7.2工业无线网络设备5.工业无线网络结构使用无线接入点AP和无线客户端AC可以建立各种网络结构。1）使用AP的独立组态

2）对有线以太网网络进行无线访问3）通过客户端或客户端模式下的接入点访问网络7.3实训本章实训的主要目标是能熟练配置和使用工业无线网络设备。首先能完成对西门子SIMATICW774无线AP和W734无线客户端的基本管理配置，包括复位和IP地址配置。在此基础上要求学生能熟练完成工业无线网络设备的无线通信功能配置，从而能够在工业网络中灵活应用无线网络设备将现场终端设备接入网络中。最后介绍了NAT和NAPT技术在无线网络中的应用与配置。1.实训目的（1）掌握西门子SIMATICW774无线AP和W734无线客户端的基本管理配置；（2）掌握在SIMATICW774无线AP和SIMATICW734无线客户端上实现无线通信功能的配置方法；（3）掌握SIMATICW734无线客户端上实现NAT和NAPT功能的配置方法。7.2工业无线网络设备2.实训准备（1）复习本章内容；

（2）熟悉西门子SIMATICW774无线AP和的W734无线客户端设备外观及基本管理配置；

（3）熟悉西门子无线AP和无线客户端实现无线通信的基本配置；（4）熟悉无线客户端实现NAT和NAPT功能的基本配置。3.实训设备（1）1台电脑：已安装博途和PRONETA软件（2）1台SIMATICS7-1200PLC（3）2台SCALANCEXB-208第2层工业交换机（4）1台SCALANCEW774无线AP、1台SCALANCEW734无线客户端（5）网线若干7.3实训7.3.1西门子SCALANCEW工业无线设备的基本配置本实验将介绍使用PRONETA软件完成对工业无线APW774和工业无线ACW734进行IP地址配置及复位操作的方法和实施步骤。7.3实训步骤1按照实验拓扑将W774、W734和上位机连接到XB-208的任意端口。步骤2启动PRONETA软件进行网络分析，可显示出在线图形视图和设备列表7.3实训步骤3在设备表中依次选中W774和W734无线设备，会在窗口右侧显示出该设备的详细信息7.3实训步骤4依次对XB-208、W774和W734执行复位操作。在图形视图下右击相应设备图标，选择“复位网络参数”，将对3个设备执行复位操作并恢复到出厂配置，复位完成后会自动重启设备。步骤5为W774和W734配置IP地址，右击相应设备图标，选择“设置网络参数”，在IP组态下手工输入IP地址和子网掩码，必要时可设置网关地址。结果如图7-11所示。步骤6通过浏览器访问W774配置界面，右击SCALANCEW-700无线接入点图标，选择“打开Web浏览器”，进入系统登录界面。输入用户名和密码（初始都是admin）。按界面提示设置新密码为：ZD@123456，点击SetValues按钮使设置生效，如图7-12所示。步骤7通过浏览器访问W734配置界面，使用相同的用户名和密码为无线客户端W734进行登录，按界面提示设置新密码为：ZD@123456。登录成功后进入将分别进入无线AP和AC的管理及配置界面7.3实训7.3.2西门子SCALANCEW无线通信功能配置本实验按照如图7-14所示的网络结构逻辑拓扑图连接交换机与无线模块、交换机与上位机、交换机与S71200，PLC已和开关连接。通过在SCALANCEW774和W734上配置启动无线通信功能实现上位机和PLC之间的通信，同时通过上位机中的博途软件能够远程监控S71200PLC中的开关变量。7.3实训1.网络设备基础配置步骤1将交换机和PLC恢复出厂设置。步骤2按照拓扑图连接XB208-1的P3端口与W774的以太网端口P1相连、P1端口与上位机相连；XB208-2的P5端口与W734的以太网端口P1相连、P1端口与S71200PLC的以太网端口相连。步骤3用博途软件为PLC分配地址为。步骤4在上位机中用PRONETA软件为W774、W734、XB208和XM408分配IP地址7.3实训2.无线APW774配置步骤1将上位机重新连接XB208-1的P3端口，在上位机的浏览器中输入W774的IP地址1，登录后将进入W774的向导配置界面。步骤2点击配置界面左侧“Interfaces”的子项“WLAN”进行无线配置。在“Antennas”标签页下，选择“AntennaType”为“ANT795-4MA”7.3实训步骤3在“Basic”标签页下，选择“CountryCode”为“China”，选中表格中“Enabled”标题栏下的复选框，将“FrequencyBand”值选择为5GHz，将“max.TxPower”值修选择为20dBm7.3实训步骤4在“AllowedChannels”页签，列出了选择频率带宽为2.4G或5G时可以选择的信道，可以保持默认设置，即所有信道都勾选，如图7-19所示；也可以勾选“UseAllowedChannelsonly”后，选择特定的149信道。7.3实训步骤5在“AP”页签下，可以修改SSID号，如CIMC，要确保要使用的SSID号之前的“Enabled”为勾选状态，同时禁用SSID广播，如图7-20所示。7.3实训3.无线客户端W734配置步骤1将上位机与XB208-2的空闲网口相连，在上位机的浏览器中输入W734的IP地址https://2，进入其登陆界面，首次登录和W774类似，需重新配置密码。步骤2重新登录W734，点击配置界面左侧“Interfaces”的子项“WLAN”进行无线配置，配置过程与SCALANCEW774的类似。步骤3在“Antennas”标签页下，选择“AntennaType”为“ANT795-4MA”步骤4在“Basic”标签页下，选择“CountryCode”为“China”，选择“DeviceMode”为“Client”步骤5“AllowedChannels”页签页面内容保持不变，在“Client”页签下，设置SSID名称为CIMC，即要与AP设置的SSID名称一样，以便该客户端能够自动连接到AP上。7.3实训4.无线通信测试步骤1将上位机重新连接XB208-1的P3端口，进行连通性测试。步骤2在博途软件中，在“监控与强制表”中双击“添加新监控表”，在添加的监控表_1中新增地址为I0.0的变量，下载程序到IP地址对应的S71200PLC中。如图7-24所示7.3实训步骤3在博途软件“项目树”中，选中“CPU1214C”项，点击工具栏中的“转到在线”按钮，然后在“监控表_1”中点击“全部监视”按钮。变量监视界面如图7-25所示。拨动输入设备上的I0.0开关，可以看到监控表中的变量监控值变为TRUE，从而验证了无线通信正常。7.3实训步骤4测试上位机和PLC之间的连通性，如图7-26所示，因为两台无线设备间通信成功，因此通过上位机能ping通S7-1200PLC的IP地址。7.3实训7.3.3西门子SCALANCEW无线NAT和NAPT功能配置首先需要在无线AP和无线客户端上配置启动无线通信功能。在此基础上，要求在W734无线客户端上完成NAT和NAPT功能配置，使得内部网络的PLC地址00能够映射为W734的端口地址2。配置完成后上位机可以通过2地址：端口号方式访问PLC的WEB界面。7.3实训1.W734无线客户端NAT和NAPT功能配置步骤1通过浏览器登录到W734的配置界面，在左侧选择Layer3->NAT，在Basic标签下完成NAT启动与配置，具体配置参数如图7-28所示。7.3实训

在下拉列表“Interface”中选择所需的以太网接口：P1端口。

这里需要注意的是，NAT默认将P1端口作为映射端口，实际连接时，必须将线缆连接到W734设备的P1端口上，P1端口是靠里侧的PN端口。

勾选复选框“EnableNAT”为以太网接口P1启用NAT。

指定本地接口IP地址“LocalInterfaceIPaddress”，该地址将作为内网PLC的网关地址，应与PLC在一个网段，这里设置为。

设置端口子网掩码“LocalInterfaceSubnetMask”为

配置完成后，W734内网端口地址为；外网端口地址为2。PLC映射出去的地址就是W734的外网端口地址：2。配置完成后，当通过连接到交换机XB208-2的上位机访问W734时，因为内网地址已被设置为，此时必须以才能进入W734的配置界面。7.3实训步骤2点击NAPT标签，完成NAPT端口映射配置，具体配置参数如图7-29所示。7.3实训

在下拉列表“Interface”中选择P1端口。

全局端口号“GlobalPort”：指的是外部访问时使用的端口号，这里设置为443，表示要以HTTPS方式访问PLC。

本地IP地址“LocalIPAddress”：指的是内网设备的IP地址，就是PLC的地址00。

本地端口号“LocalPort”：因为要访问PLC的WEB界面，因此设置为443，代表HTTPS协议。

单击“Create”生成一条记录，勾选“Enable”，单击SetValues按钮。

需要重启W734设备才能使设置生效。配置完成后就在PLC地址00和W734外网地址2之间建立了NAT地址映射关系。7.3实训2.S71200PLC的配置步骤1用博途软件为PLC分配IP地址和网关，如图7-30所示。注意这里的网关地址必须与NAT配置中的本地接口IP地址保持一致。7.3实训步骤2配