Unterbrechungsfreies Roamen in Automatisierungs-Netzen

Mit dem industriellen WLAN Ethernet Port Adapter FL WLAN EPA hat Phoenix Contact ein kompaktes WLAN-Client-Modul entwickelt, um Automatisierungsgeräte mit Ethernet-Anschluss WLAN-fähig zu machen (Bild 2). Der WLAN-Adapter setzt nicht nur Signale von Kupfer- auf Funktechnik um, sondern zeichnet auch für alle WLAN-Funktionen verantwortlich. Dazu gehören unter anderem die automatische WLAN-Netzwerkanmeldung, die Datensicherheit gemäß IEEE 802.11i und das Roaming zwischen den einzelnen Access Points. Gerade das schnelle und zuverlässige Roamen ist in mobilen Anwendungen oft eine kritische Funktion, bei der die Standard-Mechanismen für Automatisierungs-Anwendungen nicht ausreichen. Vor diesem Hintergrund wurde bei der Weiterentwicklung des WLAN-EPA-Moduls besonderer Wert auf das Roaming gelegt. Standard-Funktionen führen zum Kommunikationsabbruch In Automatisierungs-Netzwerken muss das Roamen, also der Wechsel von einem Access Point zu einem anderen Access Point, so schnell und zuverlässig erfolgen, dass es nicht zu Kommunikationsabbrüchen und damit zu einem Stillstand der Anwendung kommt. Das bei WLAN übliche Roaming-Verfahren weist in dieser Hinsicht jedoch erhebliche Nachteile auf. Im Wesentlichen ist der WLAN-Client für das Roaming zuständig. Er entscheidet, wann und zu welchem Access Point er wechselt. Damit der WLAN-Client stets den Access Point mit dem besten Sendesignal und folglich der besten Verbindung nutzen kann, benötigt er kontinuierlich Informationen zu den lokal verfügbaren Access Points und deren Signalstärke. Dazu müssten die WLAN-Kanäle permanent abgescannt werden. Während des Scannens lassen sich allerdings keine Daten übertragen. Um die laufende Kommunikation nicht zu unterbrechen, versucht der WLAN-Client deswegen meist seine WLAN-Verbindung so lange wie möglich zu halten. Erst wenn sie sehr schlecht ist oder abreißt, wird nach einer alternativen Übertragungsmöglichkeit gesucht. Das Scannen der WLAN-Kanäle und der anschließende Verbindungsaufbau führen zu einer Kommunikationsunterbrechung von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden. Die bei den WLAN-Geräten oft standardmäßig implementierten Roaming-Funktionen können die hohen zeitlichen Anforderungen der Automatisierung somit nicht erfüllen. Das Roaming-Verhalten lässt sich jedoch so auf die Anwendung optimieren, dass ein schneller und sogar unterbrechungsfreier Wechsel zwischen den Access Points möglich ist. Schwellwert-Roaming erfordert dauerhaft gleiche Funkfelder Das Schwellwert-Roaming ist eine häufig angewendete Optimierungsmöglichkeit, die auch in den FL WLAN EPA eingebaut wurde. Unterschreitet der Signalwert der aktuellen Verbindung einen festgelegten Schwellwert, beginnt der WLAN-Client mit der Suche nach einer besseren Verbindung oder baut sofort die Verbindung zu einem voreingestellten Access Point auf, was als Tabellen-Roaming bezeichnet wird. Industrielle Transportsysteme bewegen sich meist entlang einer definierten Strecke, sodass die Signalstärke an dieser Fahrstrecke ausgemessen werden kann und sich darauf aufbauend die optimalen Schwellwerte ermitteln lassen. Das gestaltet die Konfiguration und Inbetriebnahme allerdings aufwendig. Zudem muss garantiert sein, dass die Funkfelder dauerhaft gleich bleiben, weil die Schwellwerte ansonsten nicht mehr passen. Gerade in Industrieumgebungen kann es aufgrund von Umbauten oder Veränderungen im WLAN-Netzwerk zum Beispiel durch das Hinzufügen eines weiteren Access Points schnell zu einer neuen Ausgangssituation und daraus resultierend zu einer Adaption der Schwellwerte kommen. Beim Schwellwert-Verfahren wird zwar der Zeitpunkt des Roamings optimiert, das Scannen und der Verbindungsaufbau führen dennoch zu einer Unterbrechung der Kommunikation von rund 50 bis 500ms. Für zeitkritische und hochverfügbare Automatisierungs-Anwendungen ist dieser Mechanismus daher ebenfalls ungeeignet. Seamless-Roaming ermittelt automatisch die beste Funkverbindung Soll der WLAN-Client automatisch stets zum optimalen Zeitpunkt roamen, muss ihm bekannt sein, wann ein alternativer WLAN-Access-Point mit einem besseren Sendesignal verfügbar ist. Um die laufende Datenkommunikation nicht zum Scannen der WLAN-Kanäle zu unterbrechen, kann der WLAN-Client diese Information in zeitkritischen Anwendungen nicht selbst ermitteln. Für den WLAN-Adapter FL WLAN EPA wurde deshalb eine spezielle Seamless-Roaming-Funktion entwickelt. Ein zweiter WLAN-Adapter wird hier sowohl als externer Scanner wie auch zum unterbrechungsfreien Wechseln zwischen zwei Access Points verwendet. Dazu werden zwei FL WLAN EPA mit aktivierter Seamless-Roaming-Funktion über das Ethernet-Netzwerk miteinander gekoppelt. Ein Gerät übernimmt automatisch die Rolle des Masters, der andere WLAN-Adapter fungiert als Slave. Der Informationsaustausch zwischen den beiden Funkkomponenten erfolgt über das Ethernet-Netzwerk. Zu diesem Zweck baut der WLAN-Adapter im Master-Mode eine Verbindung mit einem Access Point auf, über den die Daten ausgetauscht werden. Der WLAN-Adapter im Slave-Mode scannt die WLAN-Kanäle kontinuierlich nach alternativen Access Points ab und leitet die Informationen zu den detektierten Geräten und deren aktuelle Signalstärke (SNR) laufend an den WLAN-Master-Adapter weiter (Bild 3). Dieser vergleicht die Signalwerte mit der eigenen Verbindung. Ist ein Access Point mit deutlich besserer Signalstärke verfügbar, sendet der Master ein Kommando an den Slave-Adapter, dass dieser eine Verbindung zum neuen Access Point aufbauen soll. Sobald die Verbindung erfolgreich hergestellt ist, erhält der Master-Adapter eine entsprechende Meldung vom Slave-Gerät und baut daraufhin seine Kommunikationsverbindung ab. Anschließend tauschen beide Geräte die Rollen: der Master-Adapter übernimmt die Rolle des Slaves und der bisherige Slave-Adapter die des Masters. Beim Seamless-Roaming wird die Verbindung somit unterbrechungsfrei zwischen den beiden WLAN-Adaptern umgeschaltet (Bild 4). Im Vergleich zu anderen Roaming-Mechanismen hat das Verfahren den entscheidenden Vorteil, dass automatisch immer die beste Verbindung genutzt wird. Dabei wird die Datenübertragung nicht beeinträchtigt. Zudem setzt das Seamless-Roaming keine proprietären Funktionen im WLAN Access Point voraus und lässt sich mithin in Standard-WLAN-Netz­werken einsetzen (Bild 5). Fazit Die neue Seamless-Roaming-Funktion im industriellen WLAN Ethernet Port Adapter FL WLAN EPA zeigt, dass ein unterbrechungsfreies Roamen auch in Standard-WLAN-Netzwerken möglich ist. Das Verfahren spielt seine Vorteile insbesondere in Anwendungen aus, deren Umgebungsbedingungen nicht vorhersagbar sind. Dazu gehören zum Beispiel die Kommunikation mit Gabelstapler-Terminals und fahrerlosen Transportsysteme oder sich selbst optimierende WLAN-Netzwerke. Kasten: Zuverlässige und sichere WLAN-Komponente Die WLAN Ethernet Port Adapter (EPA) aus der Produktfamilie Factoryline von Phoenix Contact sind für den industriellen Einsatz in rauer Umgebung entwickelt worden. Neben dem robusten und zuverlässigen Geräte-Design, das auch schwierigen Einsatzbedingungen trotzt, zeichnen sich die Module durch einen weiten Arbeitstemperaturbereich und eine hohe EMV-Festigkeit aus. Factoryline WLAN ist kompatibel zu den WLAN-Übertragungsstandards gemäß IEEE 802.11 und bietet aufgrund der Unterstützung des Sicherheitsstandards IEEE 802.11i eine hohe Netzwerksicherheit. Die WLAN Ethernet Port Adapter eignen sich daher insbesondere für die Umsetzung zuverlässiger Funkverbindungen. Zu diesem Zweck ist in das Gehäuse eine spezielle zirkular polarisierte Antenne integriert worden, die für stabile Funkverbindungen in reflektiver metallischer Umgebung sorgt.