CN113542004A - 基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，包括第一PLC和第二PLC，所述的第一PLC与第一网关相连接，所述的第二PLC与第二网关相连接，所述的第一网关与所述第二网关相连接，且互为冗余；所述的第一网关通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关、第四网关，所述的第二网关通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关、第四网关，所述的第三网关与IO设备相连接，所述的第四网关与RTU设备相连接。本发明的优点在于：通过5G和WiFi6网络的双链路冗余，并采用网关与网关之间互为冗余，保证整个控制系统稳定性。

Description

基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统
技术领域
本发明涉及系统冗余技术领域，具体地说是基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统。
背景技术
在工业化控制领域，5G凭借其高性能、低延时、低成本的优势得到了广泛应用并逐渐成为了工业现场的控制网络。
随着5G的快速发展，5G的高带宽、低延时使得远程控制工业制造设备成为了可能，越来越多的工业数据从有线网到无线网，远距离的分布式控制、集中式管理将使得对工业设备的管理成本大大降低，经济效益明显提高。
目前我们现在的手机和路由器上最广泛使用的是WiFi5技术。WiFi5技术即是802.11ac 诞生于2013年。最初版本（Wave 1）凭借80MHz频宽，将WiFi单流带宽提升至433Mbps。2016年第二版（Wave 2）将频宽再次翻倍到160MHz，但是目前支持的设备并不多。
不过WiFi5只支持5G频段，而5G频段因为穿透力差，在信号覆盖性能上较弱。技术上无法完全取代支持2.4G的WiFi4，所以目前的主流家用无线路由器都是同时支持 WiFi4和WiFi5。
从调制上看WiFi5是256-QAM，WiFi6是1024-QAM，前者的数据流最大支持4个，后者则最大支持8个，因此WiFi5的理论吞吐量可以做到3.5Gbps，而WiFi6则可以做到惊人的9.6Gbps。WiFi6的带宽比WiFi5大了数倍。
发明内容
本发明之目的是弥补上述之不足，向社会公开基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，通过5G和WiFi6网络的双链路冗余，并采用网关与网关之间互为冗余，保证整个控制系统稳定性。
本发明的技术方案是这样实现的：
基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，包括第一PLC和第二PLC，所述的第一PLC与第一网关相连接，所述的第二PLC与第二网关相连接，所述的第一网关与所述第二网关相连接，且互为冗余；
所述的第一网关通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关、第四网关，所述的第二网关通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关、第四网关，所述的第三网关与IO设备相连接，所述的第四网关与RTU设备相连接。
进一步优化本技术方案的措施是：
作为改进，所述的冗余系统中，5G链路和WiFi6链路中，其中一条为主链路，另一条为备用链路。
作为改进，所述的网关之间的连接，采用心跳检测机制，由终端节点发送心跳包，中心节点回复心跳响应包；当响应超出设定范围，认定连接不稳定。
作为改进，所述的心跳包的发送频率为10-5000毫秒。
作为改进，当连续N次未收到心跳响应包，认定为连续不稳定，N取2至10。
作为改进，所述的第一网关与所述第二网关通过WAN口连接形成互为冗余。
作为改进，当第一网关的5G链路和WiFi6链路均断开时，第一网关进行重启操作；当第二网关的5G链路和WiFi6链路均断开时，第二网关进行重启操作。
本发明与现有技术相比的优点是：
本冗余系统使用5G和WiFi6两大传播载体后，PLC与远端被控设备之间可以通过空中双链路并存冗余连接。为了确保控制零中断，使用双PLC冗余的模式控制远端设备；为了确保PLC之间冗余链路稳定，网关使用双网络(5G和WiFi6)的模式进行PLC之间的冗余。另外，为了确保网关之间工作稳定，又进行了双网关的冗余，既两台网关互相监督，一台异常的情况下切到另外一台，自身网络异常的情况下，重启自己，强行进行链路切换。从而保证系统的稳定运行。
附图说明
图1是本发明的结构框架图；
图2是本发明中数据转发原理图；
图3是本发明中系统参数设置操作界面图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明：
如图1所示，基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，包括第一PLC11和第二PLC12，所述的第一PLC11与第一网关21相连接，所述的第二PLC12与第二网关22相连接，所述的第一网关21与所述第二网关22相连接，且互为冗余；
所述的第一网关21通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关23、第四网关24，所述的第二网关22通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关23、第四网关24，所述的第三网关23与IO设备3相连接，所述的第四网关24与RTU设备4相连接。
第一网关21与第三网关23、第四网关24之间分别连接5G链路和WiFi6链路，图1中，实线表示5G链路，虚线表示WiFi6链路，第二网关22与第三网关23、第四网关24之间也分别连接5G链路和WiFi6链路；如此形成双链路连接的冗余设计，保证网关链路连接的可靠性。
所述的冗余系统中，5G链路和WiFi6链路中，其中一条为主链路，另一条为备用链路。用户可以根据使用环境或者使用习惯，自主进行选择设定，设定5G链路为主链路，则WiFi6链路为备份链路，反之，设定WiFi6链路为主链路，则5G链路为备份链路。
所述的网关之间的连接，采用心跳检测机制，由终端节点发送心跳包，中心节点回复心跳响应包；当响应超出设定范围，认定连接不稳定。
所述的心跳包的发送频率为10-5000毫秒。
当连续N次未收到心跳响应包，认定为连续不稳定，N取2至10。
心跳包的发送频率以及N的取值，由用户自行设定。
所述的第一网关21与所述第二网关22通过WAN口连接形成互为冗余。
当第一网关21的5G链路和WiFi6链路均断开时，第一网关21进行重启操作；当第二网关22的5G链路和WiFi6链路均断开时，第二网关22进行重启操作。
采用本冗余系统的PLC控制系统中，PLC连接管理EOIP：
（1）第一网关21、第二网关22、第三网关23、第四网关24分别获取5G和WiFi6 IP；
(2)其中第三网关23为第一个中心节点，第一网关21和第二网关22作为终端节点通过5G和WiFi6双链路(主副链路)与第三网关23进行空中连接，实现了第一PLC11和第二PLC12之间的冗余
(3)为保证冗余网络的稳定，第四网关24为第一个中心节点，第一网关21和第二网关22作为终端节点通过5G和WiFi6双链路(主副链路)与第四网关24进行连接，实现了双通道第一PLC11和第二PLC12之间的冗余；
(4) 第一网关21作为终端节点，实现第三网关23与第四网关24之间通过5G和WiFi6双链路(主副链路)连接，实现第一PLC11对IO设备3和RTU设备4进行控制；
（5）第二网关22作为终端节点，实现第三网关23与第四网关24之间通过5G和WiFi6双链路(主副链路)连接，实现第二PLC12对IO设备3和RTU设备4进行控制。
EOIP连接Keep alive 机制：
第一网关21、第二网关22、第三网关23、第四网关24之间采用双链路连接，连接采用心跳检测机制，由终端节点发送心跳包，中心节点回应心跳(即回复心跳响应包)，用于可根据页面配置心跳间隔和检测次数，超出设定范围，则认定当前链路不稳定，切换至备用链路。比如，设置心跳间隔为1000毫秒，检测次数为3次，即终端节点每隔1000毫秒发送一个心跳包，当链路连接稳定时，中心节点接收到心跳包后，便会回复心跳响应包，一旦链路不稳定，中心节点便无法回应，当连续3次未回应心跳响应包，则认定该链路连接不稳定，切换至备用链路；终端节点不间断地发送心跳包，当主链路恢复连接后，切回主链路。
冗余网关之间Keep alive 机制：
第一网关21和第二网关22互为冗余，相连接进行相互监控，同样采用心跳检测机制，每台网关都向对方发送心跳包，但不回复心跳。心跳间隔和检测次数，由用户在如图3所示的操作界面上进行设置，每台网关检测对方发来的心跳，超出设定的范围，则认为对方异常，重启对方网关，进行网关切换，以保证系统的稳定运行。如果检测到自己的EOIP链路全部断开，即5G和WiFi6都断开，则判断自身网络异常，则进行自我重启，同时切换至对方网关进行工作，保证系统的运行的稳定性。
数据转发：
如图2所示，第一网关21和第二网关22之间都与第三网关23进行EOIP的网络连接，则第一网关21与第二网关22之间可以通过第三网关23进行数据转发。
本冗余系统中，PLC与远端被控设备之间可以通过空中双链路(5G和WiFi6)并存冗余连接。为了确保控制零中断，使用双PLC冗余的模式控制远端设备，既一台PLC出故障后，会毫秒级切换到另外一台PLC，控制不中断；为了确保PLC之间冗余链路稳定，网关使用双网络的模式进行PLC之间的冗余。既5G出问题后，PLC之间可以通过WiFi6进行冗余，整个切换过程毫秒级，不影响后方被控远端正常工作。不但如此，为了确保网关之间工作稳定，又进行了双网关的冗余，既两台网关(第一网关21和第二网关22)互相监督，一台异常的情况下切到另外一台，自身网络异常的情况下，即5G和WiFi6同时断连的情况下，自动重启。
本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (7)

1.基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：包括第一PLC(11)和第二PLC(12)，所述的第一PLC(11)与第一网关(21)相连接，所述的第二PLC(12)与第二网关(22)相连接，所述的第一网关(21)与所述第二网关(22)相连接，且互为冗余；
所述的第一网关(21)通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关(23)、第四网关(24)，所述的第二网关(22)通过5G链路和WiFi6链路双链路连接第三网关(23)、第四网关(24)，所述的第三网关(23)与IO设备(3)相连接，所述的第四网关(24)与RTU设备(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：所述的冗余系统中，5G链路和WiFi6链路中，其中一条为主链路，另一条为备用链路。
3.根据权利要求1所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：所述的网关之间的连接，采用心跳检测机制，由终端节点发送心跳包，中心节点回复心跳响应包；当响应超出设定范围，认定连接不稳定。
4.根据权利要求3所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：所述的心跳包的发送频率为10-5000毫秒。
5.根据权利要求3所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：当连续N次未收到心跳响应包，认定为连续不稳定，N取2至10。
6.根据权利要求1所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：所述的第一网关(21)与所述第二网关(22)通过WAN口连接形成互为冗余。
7.根据权利要求1所述的基于5G网络和WiFi6技术的用于PLC控制系统的冗余系统，其特征是：当第一网关(21)的5G链路和WiFi6链路均断开时，第一网关(21)进行重启操作；当第二网关(22)的5G链路和WiFi6链路均断开时，第二网关(22)进行重启操作。
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