革新的な食料生産におけるWi-Fiネットワーク構築の特徴

はじめに

生産技術、プロセス自動化、情報管理および会計サービスの最新レベルの開発、高レベルの内外の競争、製品品質の厳しい要件、コスト最適化、他の最終消費者の闘争は、複雑な近代化のメーカーにとって幅広い問題を提起します生産。 このような近代化により、技術、サービス、技術的側面、情報環境が変化するだけでなく、プロセス全体（生産）の心理学も変化します。 したがって、製造業者はプロセス全体の最適化を試み、さまざまな段階で「障害点」の可能性を排除します。 ご存じのように、失敗の大部分は「人的」要因に起因し、運用チェーン内の人が多いほど、エラーの可能性が高くなり、技術機器が破損し、結婚の結果として、単純な生産、納期を守れない、罰金などが発生します。



食料生産の「間違い」に加えて、生産チェーンの一部としての人は、製品のバイオセーフティ要因に大きく影響します。 また、不利な状況と技術違反により、「バイオファクター」はすでに出荷された製品のバッチ全体の損失につながる可能性があります。 つまり 原料やその成分との直接の接触から人を除外することは、製品の最終品質に直接影響を及ぼし、損失の削減につながります。



しかし、ロボット、コンベア、自動倉庫の設置による生産の単純な近代化、自動会計および制御システムの展開は、以下の制限のために問題の全範囲を解決しません。



生産を完全に自動化するためのターンキーソリューションはありません。 技術的およびロジスティックなタスクの中で機能する自動化された生産ラインがあります。 ローカルシステムによって管理され、いくつかの累積生産バッファーを介して相互作用します。 多くの場合、これらは単一の相互作用プロトコルを持たないさまざまなメーカーの自動化されたラインです。 このような技術チェーンを統合するには、単一の情報プラットフォーム（SIP）が作成されます。これには、物理​​的な伝送媒体と自動生産のすべてのコンポーネントとの対話が必要です。



この記事で影響を受けるのは、このような物理的な伝送媒体の設計と構築の機能です。



インターネットの広大な領域に提示された多くの技術文献は、このまたはそのネットワークインフラストラクチャを構築するための、一見十分に確立され、間違いなく正しいアルゴリズム（アクションプラン、テクニック-好きなものを呼んでください）について語っています。 ただし、実際には、各方法論は、特定の各プロジェクトの作業の特定の要件、条件、および状況に慎重に調整する必要があります。 この記事では、理論的知識を特定の条件に適合させ、顧客の規定要件を完全に満たすシステムを作成することで成功を達成する方法についてお話したいと思います。



ロシア初のロボットソーセージ生産工場のネットワークインフラストラクチャの構築についてです。 すぐに、この出版物は正しい解決策を導く多くの理論的計算で満たされないことに注意し、実際の側面から設計プロセスを見ていきます。



解決するために必要な最も興味深い複雑なタスク：

• 工場のオフィス施設にWi-Fiネットワークを提供します。 このプロジェクトの枠組みの中で、顧客は職場のLANポートを放棄しました。従業員はモバイルでなければなりません。
• 自動化されたラインのセクション間で製品を輸送するシャトルロボットを含む、技術機器の操作のために、工場の産業施設に無線WI-FIネットワークを提供します。
• さまざまなローカル自動システムおよびその他の生産技術分野の産業用コントローラーに有線ネットワークを提供します。

シャトルロボットがフレームを製品とともに輸送

設計準備

ワイヤレスクライアント設定

ワイヤレスネットワークの設計の最初の段階では、ワイヤレスネットワークが「デバイスの操作」のためだけでなく、特定のアプリケーション、サービスからのデータ転送のために構築されているという事実に注目しました。 そのため、スループットとネットワーク遅延のクライアントアプリケーションに必要な最小要件を提供するために、ワイヤレスインターフェイスの機能とクライアント機器の機能（送信機の電力、サポートされている周波数範囲、チャネルなど）を考慮する必要があります。



このプロジェクトの枠組みの中で、ワイヤレスネットワークの主な消費者を3つのグループに分けました。

• データ収集端末
• シャトルロボット
• オフィスワーカーのラップトップ

データ収集端末とオフィスワーカーのラップトップの最小必要帯域幅と待機時間に関するおおよその要件は、長い間計算され、知られています。 しかし、神秘的なロボットでは、もう少し複雑でした。 ワイヤレスデータネットワークの要件のメーカーからの要求に対するドライレスポンスが受信されました：500kbit / s、<300msの遅延。





充電シャトルロボット



すべてのホストにすばらしい機能があることがわかりました-5 GHz帯域での動作をサポートしています！ お客様との合意により、この範囲のみの使用を考慮してネットワークを設計することを決定しました。



まず、クライアントアプリケーションの要件とクライアントのワイヤレスインターフェースの機能から始めて、ワイヤレスネットワークを設計する必要があります。 そうでない場合、最終的に、非常に冗長なソリューションが得られるか、WLANの要件を満たさないソリューションが得られます。

計画と図面-健康的なデザインの鍵

Wi-Fiネットワークの設計プロセスは、計画と施設自体の両方の詳細な調査を続けました。 多くの場合、設計の開始時に、エンジニアは施設の建設準備が整っていないという状況に直面します。これは、偽の天井と乾式壁のパーティションがないだけでなく、壁、天井、または支持構造の一部がないことです。









設計の開始時のオブジェクトの状態



したがって、作業を成功させるには、顧客から建築計画、機器の配置のスケッチ、ユーティリティに関するデータを入手する必要があります。 計画に加えて、重要な詳細を見落とさないように、技術プロセスを理解するには、お客様の技術者との密接なやり取りが必要です。 多くの場合、顧客は詳細データの要求を無視しますが、この場合、顧客からの最も包括的な情報が提供されました。





「悪い」間取りの例





「良い」間取り図の例



「正しい」計画は、障壁、構造、機器、建築材料の種類の配置に関する情報を提供します。 これにより、無線信号の伝播に影響する要因を評価できます。 大規模プロジェクトの場合、このような初期データが存在するため、技術的なソリューションを最適化し、アクセスポイントの位置、その数、設置されたアンテナの種類に対する物理環境の影響を考慮することができます。



例として、施設の研究への統合アプローチの必要性を反映しています。これは、この素晴らしい技術的な鑑賞ギャラリーに関連する物語です。







ある場所では、アクセスポイントはギャラリーから3〜4メートルのところにあり、ガラス越しに見ることができます。 一見すると、ガラスとガラスは吸収係数が比較的低く、部屋の信号レベルは許容できるはずです。 しかし、さらに詳細な分析を行った結果、強化ステンドグラスの窓、つまり強化充填アルミニウムフレームと防火ガラスが取り付けられていることがわかりました。 実際には、この設計により、携帯電話のアクセスポイントからの信号はまったくなく、より感度の高いレシーバーを備えたラップトップは-80Dbmのレベルの信号を表示します。



建設中の建物の設計段階の開始時には、すべての技術機器の設置を考慮して、すべての部屋を完全に視覚的に表示することが非常に重要です（ところで、床、天井など、最も予期しない方法で配置することができます）。

工場はあなたのためのオフィスではありません...

ワイヤレスネットワークの設計に関する生産施設とオフィス施設の主な違いの1つは、アクセスポイントと他のネットワーク機器の動作条件です。 もちろん、サーバーと通信設備は、機器の要件と動作条件を考慮して準備されます。 ただし、同じ工場内であっても、生産設備の環境パラメータはまったく異なるため、ネットワーク設備の設置には細心の注意が必要です。



私たちの場合、すべてが温度に順調で、-5 +30の範囲を超えませんでしたが、すべての技術室は高圧システムで清掃されています。







この点で、技術室での作業にどのアクセスポイントとアンテナが選択されたとしても、それらを密閉された無線透過ボックスに設置することが決定されました。



注意深い読者はすぐに注意を払います。保護レベルIP67のアクセスポイントを使用できるのに、なぜアクセスポイントと密閉ボックスからこのような「キット」を作成する必要があるのですか。 もちろん、各メーカーがそのようなものを持っていることを忘れていませんでしたが、次の理由から、ハーメチックボックスを使用するオプションを選択しました。

• 設計時には、すべてのシスコセキュアアクセスポイント（このメーカーの機器の使用が計画されていました）には、IW3700モデルを除き、追加の輸入許可が必要でした（コストは予算をはるかに上回りました）。 「安全な」アクセスポイントの許可証と納期の登録は、プロジェクトの厳しい締め切りに収まりませんでした。
• 予算の節約：アクセスポイント2702EとGermoboxで構成されるキットが安価になりました。

生産施設では、施設のまったく異なる特性（湿度、温度、ほこりなど）を考慮して、アクセスポイントの動作条件を慎重に検討する必要があります。 メーカーの推奨に従って盲目的にセキュリティ問題を解決できるだけでなく、安全なアクセスポイントを使用してください。 このオプションは、プロジェクトの実装のフレームワークで常に可能であり、合理的ではありません。



通信技術者と生産技術者の戦いでは、後者が常に正しい。



アクセスポイントを設置するためのアクセス可能な場所は、設計の開始時に明確に定義する必要があるもう1つの重要なポイントです。 複雑な技術施設では、設置された機器に加えて、電気、水、空気ダクトなどの多くの通信がまだあります。 それらの多くは、無線信号の拡散に悪影響を及ぼします。

私たちの場合、上記のすべてに、シャトルロボットも追加されました。シャトルロボットは、製品を準備場所から乾燥室と発酵室に輸送しました。 これは静的にインストールされたオブジェクトではなく、モバイル技術機器です。 理解することは非常に重要でした：彼らはどこに行くのですか？ フレーム付きシャトルの最大高さは？ 輸送ルートは壁からどのくらい離れていますか？ 彼らの仕事の全プロセスについての共通の理解は非常に有用であり、このアクションをライブで見ることができればうれしいです。 しかし、ここに問題があります。当時、ロシアにはそのような植物はありませんでした。 インターネットと地球で最も人気のあるビデオホスティングは、私たちを支援するものでした。ロボットについてのアイデアを構築し、アクセスポイントの配置場所を理解することができました。



多くの場合、このような施設では、アクセスポイントの場所が限られています。 信号の伝搬に最適な場所にアクセスポイントを確立することは、常に可能なことではありません。 さらに、アクセスポイントの1つに障害が発生した場合のフォールトトレランスに関する顧客の要件を満たす必要がありました。



施設の構成と技術プロセスを詳しく理解していない場合、1つまたは複数のアクセスポイントを転送するという形で問題が発生する可能性があります。 そして、これは簡単に取り除いたり、上回ったりすることはできません：これらは新しい技術的開口部、古い開口部の影響を排除する問題です（食品業界では、腐食の問題、錆の形成、外部フローラの侵入のために特に注意を払っています）、SCSポイントの移動です。 ここでWi-Fiが動作する理由はありません。また、生産技術者との対話でインストールされたアクセスポイントは、生産設備やアセンブリのインストールを実際に妨げる場合は機能しません。



しかし、何かが失敗した場合... ...？



この単純ではないオブジェクトでWLANを設計する際のもう1つの重要な条件は、フォールトトレランスです。 冗長性がない場合、障害が発生すると、生産プロセスが中断する可能性がありますが、これは許可されません。 シャトルロボットの動作により、フォールトトレランスの必要性が悪化しました。 Wi-Fiネットワークでは、タスクを受信し、たとえば、移動したフレームの重量、場所、バッテリーレベルなどのパラメトリックデータを自動制御システムに送信します。



無線環境は、アクセスポイントの1つに障害が発生した場合、隣接するアクセスポイントが障害ポイントのカバレッジエリアに受信機で少なくとも-75DBmの信号レベルを提供するように設計されました。

この設計上の決定には、いくつかの制限と困難がありました。

• まず、指向性アンテナを放棄する必要がありました（さらに多くのアクセスポイントが必要になり、さらにアンテナの価格は標準のオムニよりもはるかに高くなります）。
• 第二に、いくつかの地域の異なる地点からの周波数の賦課に耐えること。

2番目の制限については、ここで、5 GHz帯域でWi-Fi環境を設計することのすべての喜びをもう一度実際にテストしました。 この範囲の電波は2.4 GHzよりも短い距離まで延びており、重複しないチャネルが多いため、強い干渉と干渉を回避できます。



さらに進んで、通信ノードに障害が発生した場合にネットワークが正常に動作し続けるように、WLANを予約しました。隣接するアクセスポイントが異なる通信ノードに接続されました。 1つの通信ノード内で、アクセスポイントは異なるスイッチに分散されていました。 そしてもちろん、他のすべてのネットワーク要素（ルーター、カーネルスイッチ、WLANコントローラー）も予約されていました。



ワイヤレスアクセスポイントの電源は、2つの独立した電源を備えたアクセスレベルスイッチから作成されます。



スイッチの各電源ユニットは、無停電電源システムの個別の配電盤から独立したケーブル回線を介して電気エネルギーを受け取る個別の配電ユニットに接続されます。 コンポーネントの相互冗長性で作成され、モジュラータイプの無停電電源装置を使用します。 SBEは、プラントの2つの独立した変電所から電気エネルギーを受け取ります。

無線計画

無線環境計画の最初の段階である予測無線調査は、Ekahau Site Survey Proソフトウェアを使用して実行されました。 ここで、予測無線測量の成功は、選択された障害物パラメーター（壁、ラック、棚などの3次元オブジェクト）の正確さと、建物のレンダリングの正確さに大きく依存することを述べておく必要があります。 多くのオブジェクトは複雑なアーキテクチャを持っているため、この計算で得られるデータの信頼性は非常に疑わしいものです。



実際には、工業企業の設計の複雑さと建設に使用されるさまざまな材料（たとえば、乾燥室は金属製のサンドイッチパネルで作られている）により、Wi-Fi環境を計画するためのプログラム方式に部分的にしか頼ることはできません。 ”アクセスポイントの場所。おおよその数を決定します。 このデータは、エンジニアリングシステムの設計を開始するのに十分です。

しかし、オブジェクトの少なくとも一部の建設準備により、その場で無線調査（展開前調査、またはAP-on-a-stickとも呼ばれる）を実行できるようになるとすぐに、オブジェクトに移動しました。 施設の完全な準備が整うのを待つ時間はありませんでした;機器の最終的な構成を決定し、注文する時間でした。 誰もプロジェクトの条件をキャンセルしていません。











いくつかの典型的な場所で測定を行った結果、施設全体にアクセスポイントを配置する方法が理解されました。 ところで、アクセスポイントの数は、当初の計画に比べて15〜20％減少しました。



ソフトウェア無線モデリングを信頼できるのは、同様の環境および同様のネットワーク要件でWi-Fiを設計した経験がある場合のみです。 展開前のサイト調査を実施することで、予備計算が正しいことを確認し、必要に応じて修正します。

オブジェクトの時間です！

待望の機器を受け取った後、1日も無駄にすることなく、設置場所にアクセスポイントを送り、建設現場に多数のアクセスポイントを設置しました。 部屋が閉じられてから、他の機器が設置され、並行して動作しませんでした。



同時に、ネットワークスイッチ、ルーター、およびWLANコントローラーの構成とインストールが実行されました。 通信機器の設置場所の中には建設準備が整っていない場所もありましたが、一方で、プロセス機器の専門家はすでにテスト用のネットワークを必要としていました。



施設全体に14の通信キャビネットを設置しました。 スイッチのポートは、アクセスポイントだけでなく、技術機器の機能も提供しました。





取り付けられた通信キャビネット

さまざまな自動システムの技術的相互作用の例

単純化された標準的な例として、異なる物理的伝送媒体を介した異なる自動化システムの直接的な相互作用は、フレームを製品とともに乾燥および発酵チャンバーにロードすることです。

• 製品フレームの輸送の最終段階で、シャトルロボットはその場所を単一の情報プラットフォーム（EIP）に報告します（WiFi無線チャネル経由）。
• EIPは、乾燥室のコントローラーに（ワイヤーで）コマンドを発行して、乾燥室を開きます。
• カメラが開いていることをコントローラーから（有線で）確認した後、EIPは（WiFi無線チャネルを介して）シャトルロボットにカメラ内を移動するコマンドを発行します。
• シャトルロボットからカメラ内部にいるというメッセージを受信した後、EIPはカメラコントローラーにコマンドを（有線で）発行し、カメラを80％部分的に閉じます（カメラの気候パラメーターを保存するため）。
• フレームをカメラ内に配置し、ロボットシャトル内に統合されたはかりで計量を制御すると、情報が（WiFi無線チャネルを介して）EIPに送信され、ロボットシャトルは次の輸送タスクを受け取った後に乾燥室を離れます。
• シャトルロボットからチャンバーを離れるというメッセージを受け取った後、EIPは乾燥チャンバーのコントローラーにコマンドを発行し（ワイヤーで）、チャンバーを完全に閉じて乾燥プログラムを続行します。

まとめ

LANとWLANの設計と実装、およびエンジニアリングシステムには8か月かかりました。 受け入れテストは4日間続きました。 テストプログラムは、さまざまなフォールトトレランスチェックで構成されました。アクセスポイントと通信キャビネット全体を選択的にオフにし、ワイヤレスネットワークの機能とローミングをチェックしました。

無線および有線のローカルエリアネットワークが完全に準備された時点で、産業用機器と最も要求の厳しいWi-Fiホストであるシャトルロボットの試運転に関する並行作業が進行中でした。



ネットワークインフラストラクチャの操作性に関するメーカーからの苦情がないことは、作業の成功を裏付けていると自信を持って言えます。



顧客の引用。

Vladislav Belyaev ITディレクターCherkizovo Group



...完全自動化によりヒューマンファクターが削除されました...一方、これにより、かつて発生していたヒューマンエラーが排除されました。 操作と人が多かった。 2番目の要因はバイオセーフティです。原料と接触する人が少なく、半製品であるほど、製品の品質が向上し、製品の寿命が長くなります。 次に、共通の統合プロセスチェーンにより、すべての段階からすべての客観的な情報を迅速に取得することができました。 リアルタイムの会社は、機械の作業からマクロレベルに至るまで、プラントで何が起こっているかを常に確認できます...