Аналіз пропускної здатності магістральної мережі “Modbus TCP” для шумного бездротового каналу IEEE 802.11
DOI:
https://doi.org/10.15276/opu.2.72.2025.12Ключові слова:
Modbus TCP, стандарт IEEE 802.11, АСУТП, алгоритмічна структура, час транзакції, пропускна здатність, прості та складені операції, бітові помилки, повторна передачаАнотація
Застосування високошвидкісних безпровідних каналів IEEE 802.11 (802.11n/ac/ax) для магістралі Modbus TCP в автоматизованих системах управління промисловими підприємствами (АСУТП) потребує оцінки продуктивності магістралі в умовах роботи каналів зв’язку з урахуванням особливостей функціонування АСУТП, де присутній високий рівень бітових помилок у каналах зв’язку. На основі аналізу алгоритмічної структури магістралі та часових діаграм передавання в безпровідному каналі отримано аналітичні залежності для розрахунку часу транзакції та пропускної здатності магістралі для реального безпровідного каналу. Проведено аналіз пропускної здатності магістралі для типових операцій з урахуванням різного рівня бітових помилок − Bit error rate (BER) у безпровідному каналі зв’язку. Виділено класи операцій магістралі Modbus TCP (прості та складені). Показано, що складені операції формуються як композиція певної кількості простих операцій. На відміну від моделей з ідеальними каналами зв’язку, у моделях для реальних каналів враховано механізми повторної передавання кадрів і додаткові затримки, пов’язані з бітовими помилками під час передавання інформації. Отримані вирази для часу виконання операцій і пропускної здатності дають змогу оцінити реальну продуктивність магістралі Modbus TCP для безпровідних каналів з помилками. Проведений розрахунок пропускної здатності демонструє суттєвий вплив бітових помилок на пропускну здатність магістралі для одноканальних і мультиканальних реалізацій магістралі Modbus TCP на базі безпровідних каналів сімейства IEEE 802.11. Отримані аналітичні залежності часу виконання типових операцій і пропускної здатності магістралі є інструментом для вибору оптимальних конфігурацій під час проєктування та модернізації промислових мереж на базі безпровідних реалізацій магістралі Modbus TCP у межах концепції «Індустрія 4.0».
Завантаження
Посилання
Islam, G. Z. (2016). Throughput analysis of wireless local area network. International Journal of Engineering and Technical Research, 6(4), 53–60. Available at https://www.erpublication.org/ published_paper/IJETR042733.pdf.
Ullah, S., Zhong, Y., Islam, S. M. R., et al. (2008, October 12–14). Throughput limits of IEEE 802.11 and IEEE 802.15.3. 4th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM '08), Dalian, China. Retrieved October 20, 2025. Available at https://www.researchgate.net.
Chatzimisios, P. (2002, October 8–9). Throughput and delay analysis of IEEE 802.11 protocol. 2002 IEEE 5th International Workshop on Networked Appliances, Liverpool, UK. Retrieved October 20, 2025. Available at https://www.researchgate.net/publication/4041174_Throughput_and_delay_analysis _of_IEEE_80211_protocol.
Modbus Organization. (n.d.). MODBUS messaging on TCP/IP implementation guide. Available at https://www.modbus.org/docs/Modbus_Messaging_Implementation_Guide_V1_0b.pdf.
Hozdic, E. (2015). Smart factory for industry 4.0: A review. Journal of Modern Manufacturing Systems. Available at https://www.acatech.de/wp-content/uploads/2018/03/Final_report__Industrie_4.0_dec_ 2013.pdf.
International Electrotechnical Commission. (2013). Enterprise-control system integration – Part 1: Models and terminology (IEC 62264-1:2013). Available at https://webstore.iec.ch/en/publication/6675.
Monostori, L. (2014). Cyber-physical production systems: Roots, expectations and R&D challenges. Procedia CIRP, 17, 9–13. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.03.115.
Postel, J. (1981). Internet Protocol (RFC No. 791). Internet Engineering Task Force. Available at https://tools.ietf.org/html/rfc791.
IEEE. (2018). IEEE 802.3-2018 – Ethernet technology. Available at https://standards.ieee.org/standard/802_3-2018.html.
Naumov, O., & Nesterenko, S. (n.d.). Analysis of cycle time in a Modbus RTU channel with errors. Scientific Works of ONAT. 10(51). Available at https://perspectives.pp.ua/index. php/nts/issue/view/410/513.
