Dans le contexte de l'Industrie 4.0 et de la fabrication intelligente, les routeurs cellulaires servent de hub central pour connecter les appareils, transmettre des données et supporter le contrôle à distance, leur performance ayant un impact direct sur l'efficacité et la stabilité des lignes de production. Cet article propose des solutions systématiques pour les constructeurs de réseaux industriels à partir de quatre dimensions : l'optimisation de la puissance du signal, l'amélioration de la vitesse du réseau, l'analyse des facteurs affectant la stabilité et les pratiques de mise en réseau des commutateurs industriels, intégrant des solutions techniques et des cas typiques issus de scénarios réels.
Dans les environnements industriels, des obstacles tels que des étagères métalliques, de gros équipements et des murs en béton sont courants, entraînant une forte atténuation du signal sans fil. Par exemple, dans l'atelier de soudage d'une usine automobile, l'interférence électromagnétique et l'obstruction de la structure métallique ont résulté en un rayon de couverture du signal du routeur initial de moins de 20 mètres, causant des déconnexions fréquentes des chariots AGV. Grâce aux combinaisons techniques suivantes, la puissance du signal a été augmentée de plus de trois fois:
Antenne Directionnelle à Gain Élevé: Remplacez l'antenne du routeur cellulaire 4G USR-G809 par une antenne omnidirectionnelle de 8 dBi, complétée par une antenne directionnelle de 12 dBi pour couvrir les appareils distants, la puissance du signal mesurée s'étant améliorée de -85 dBm à -62 dBm.
Conception de Redondance d'Antenne Double: Les routeurs cellulaires 5G USR-G816 utilisent deux interfaces SMA, prenant en charge la technologie MIMO pour réduire les interférences multipath grâce à la diversité spatiale, réalisant une augmentation de 40 % du débit dans un test de parc éolien.
Ajustement de la Hauteur: Déplacez le routeur du sol vers le haut d'un rack de 3 mètres de haut pour éviter l'obstruction du signal par des groupes d'équipements.
Alignement de la Direction de Polarisation: Dans un projet de surveillance de haut fourneau dans une aciérie, alignez la direction de polarisation verticale de l'antenne parallèlement à l'orientation du fourneau pour minimiser la perte de réflexion métallique.
Extension par Répéteur: Déployez des répéteurs de signal USR-G809+ dans un entrepôt logistique pour étendre le signal jusqu'à une zone de tri située à 800 mètres via un retour filaire, réduisant la latence à < 50 ms.
Système d'Antenne Distribuée (DAS): Dans un grand parc chimique, utilisez la technologie d'extension par fibre optique pour transmettre le signal radiofréquence de l'USR-G816 via des fibres optiques jusqu'à 16 unités d'antenne distantes, réalisant une couverture sans faille sur l'ensemble de la zone de l'usine.
Les scénarios industriels exigent des performances en temps réel nettement supérieures à celles des applications grand public. Par exemple, un système de protection différentielle dans un réseau électrique intelligent nécessite que la transmission des données soit complétée dans les 2 ms, posant des défis rigoureux au débit du routeur et à la faible latence. Les solutions techniques suivantes peuvent améliorer significativement les performances du réseau :
Sélection du Processeur: L'USR-G816 est équipé d'un processeur quadricœur Qualcomm, prenant en charge le double mode 5G SA/NSA, réalisant une vitesse de téléchargement mesurée de 700 Mbps dans un test d'usine intelligente, soit une augmentation décuplée par rapport à la 4G.
Extension de la Mémoire: L'USR-G809 est livré en standard avec une mémoire DDR3 de 256 Mo, extensible à 1 GB, prenant en charge la connexion simultanée de plus de 200 appareils pour répondre aux demandes de déploiements IoT à grande échelle.
Commutation Intelligente de Double Carte SIM: L'USR-G809 prend en charge la veille à chaud de double carte pour China Mobile et China Unicom, commutant automatiquement à la carte secondaire lorsque la puissance du signal de la carte principale tombe à -90 dBm pour garantir une transmission de données continue.
Mise en Réseau Intégrée 5G+Filaire: Dans un système de planification de conteneurs dans un port, l'USR-G816 transmet des flux vidéo via un réseau 5G tout en se connectant à un système de contrôle PLC via un port Ethernet Gigabit, permettant la transmission (divisée) de commandes de contrôle et de données de surveillance.
Sélection de la Bande de Fréquences 5G: Dans un atelier d'électroplating avec de graves interférences électromagnétiques, commutez l'USR-G816 vers la bande de fréquences de 3,5 GHz pour éviter les interférences des appareils tels que les fours micro-ondes et les convertisseurs de fréquence dans la bande de 2,4 GHz.
Ajustement Dynamique du Canal: Utilisez la fonction de miroir de port des commutateurs industriels USR-ISG pour capturer des paquets de signal sans fil, analyser les taux d'occupation des canaux et commuter le canal du routeur du canal encombré CH6 vers le canal libre CH11.
La stabilité des routeurs cellulaires est contrainte par trois facteurs : le matériel, le logiciel et l'environnement. Un système de surveillance dans un champ pétrolifère a connu une perte de données due à une défaillance du routeur, et après investigation, il a été constaté que :
Indice de Protection: L'USR-G816 adopte un boîtier de protection IP65, fonctionnant de manière stable dans des températures extrêmes allant de -35 °C à 75 °C, résistant à l'érosion par la poussière et la pluie.
Redondance d'Alimentation: L'USR-G809 prend en charge une plage de tension d'entrée large de 9 à 36 V, équipé d'une protection contre les inversions de polarité et les surtensions, passant les tests de fluctuation de tension dans un projet de treuil de mine.
Mécanisme de Chien de Garde: L'USR-G809 intègre un chien de garde matériel qui redémarre automatiquement le système en cas de crash, fonctionnant continuellement pendant 365 jours sans défaillance sur une ligne de production automatisée.
Mises à Jour de Sécurité du Firmware: Une usine de pièces automobiles met régulièrement à niveau le firmware du routeur pour corriger les vulnérabilités de la pile de protocoles TCP, empêchant les pirates d'exploiter des attaques de l'homme du milieu pour modifier les paramètres de production.
Conception de Compatibilité Électromagnétique: L'USR-G816 passe le test standard IEC 61000-4-6, fonctionnant normalement sous un champ de radiofréquence de 10 V/m, adapté aux environnements électromagnétiques forts tels que les sous-stations haute tension.
Optimisation Thermique: L'USR-G809 adopte une conception sans ventilateur, dissipant la chaleur via des ailettes métalliques, avec une température de surface mesurée de ≤ 60 °C dans un atelier à haute température de 45 °C.
En tant qu'appareil central d'un réseau local, la méthode de mise en réseau des commutateurs industriels affecte directement l'évolutivité et la tolérance aux pannes du réseau. Ce qui suit analyse les solutions de mise en réseau des commutateurs de la série USR-ISG en combinaison avec des scénarios typiques:
Une usine électronique doit connecter plus de 200 appareils, y compris des PLC, des capteurs et des chariots AGV. Le réseau suivant est construit à l'aide de commutateurs industriels USR-ISG-8T (8 ports électriques + 1 port optique) :
Couche Centrale: Déployez un commutateur USR-ISG-16T, connecté via fibre optique à la salle des machines de l'opérateur.
Couche d'Accès: Déployez des commutateurs USR-ISG-8T dans chaque atelier, connectant les appareils via des ports électriques Gigabit et reliant au commutateur central via des ports optiques.
Isolation VLAN: Isolez physiquement le réseau de production (VLAN10), le réseau de surveillance (VLAN20) et le réseau de bureau (VLAN30) pour éviter les tempêtes de diffusion.
Stratégie QoS: Attribuez la priorité la plus élevée (802.1p=7) aux commandes de contrôle PLC pour garantir les performances en temps réel.
Une base de fabrication automobile doit couvrir une superficie de 100 000 mètres carrés, comprenant quatre ateliers : estampage, soudage, peinture et assemblage. Une architecture à trois niveaux est construite à l'aide de commutateurs de la série USR-ISG :
Couche Centrale: Déployez deux commutateurs USR-ISG-24GT (24 ports électriques + 4 ports optiques), réalisant une commutation de panne de 50 ms via le protocole de réseau en anneau ERPS.
Couche d'Agrégation: Déployez des commutateurs USR-ISG-16GT dans chaque atelier, reliant au commutateur central via des ports optiques 10 Gigabit.
Couche d'Accès: Déployez des commutateurs USR-ISG-8T sur la ligne de production, fournissant de l'alimentation aux caméras IP et aux points d'accès sans fil via PoE.
Conception de Redondance: Les commutateurs centraux adoptent des modules d'alimentation doubles, et les commutateurs de la couche d'agrégation sont configurés avec des liens de montée doubles pour garantir que les défaillances ponctuelles n'affectent pas l'ensemble du réseau.
Un projet d'agriculture intelligente doit connecter des capteurs de sol, des stations météorologiques, des contrôleurs d'irrigation et d'autres appareils, téléchargeant des données vers le cloud via des routeurs 4G/5G. Le réseau suivant est construit à l'aide d'un commutateur USR-ISG-5T (5 ports électriques) :
Accès aux Appareils: Connectez les capteurs et les contrôleurs via des ports électriques, prenant en charge l'alimentation PoE standard IEEE 802.3af.
Conversion de Protocole: Le commutateur intègre une fonctionnalité de conversion Modbus TCP/RTU pour permettre l'interconnexion entre les appareils traditionnels et les plateformes IoT.
Isolation de Sécurité: Restreignez l'accès entre les appareils via des règles ACL, permettant uniquement le téléchargement des données des capteurs vers des serveurs désignés.
Gestion Cloud: Surveillez l'état des appareils et le trafic dans le cloud via la fonction SNMP des commutateurs USR-ISG, permettant une maintenance préventive.
L'optimisation des performances et la conception de mise en réseau des routeurs cellulaires doivent équilibrer l'avancement technologique et l'adaptabilité aux scénarios. De la transmission 4G stable de l'USR-G809 à l'expérience 5G rapide de l'USR-G816, de la mise en réseau flexible des commutateurs USR-ISG à la gestion intelligente des opérations et de la maintenance basées sur le cloud, les constructeurs de réseaux industriels doivent sélectionner des solutions techniques en fonction des besoins réels et viser l'excellence dans la sélection du matériel, la configuration logicielle et l'adaptation à l'environnement pour construire une infrastructure Internet industrielle hautement fiable et performante.
