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介绍新一代全光纤工业传输控制网

时间:2021-01-07 作者:费宗莲 阅读:
本文在探讨目前工业互联网面临挑战的基础上,介绍新一代全光纤工业传输控制网的理念、意义、总体架构和目标应用市场。
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一、目前工业互联网面临的挑战

目前全球和中国市场上,工业控制网络主要采用CAN和工业以太网(Industrial Ethernet)等技术。这些技术具有共同的不足之处。

●带宽低,例如CAN为1Mbps,工业以太网带宽最高为1Gbps;

●时延高,例如部署30个节点,时延通常在毫秒级;

●实时性差,不易保证高优先级的业务畅通;

●可靠性和安全性低;

●技术复杂,标准多,网络连接庞大,使用成本过高。

基于以太网的TSN(Time Sensitive Network -时间敏感网络)网络技术,协议复杂,仍处在标准制定阶段。 目前其最高带宽仍然只能达到1Gbps。延迟和确定性还不能达到工业控制网络的需求。在将来更高带宽的演进中,技术复杂度会指数增长。迄今为止所有号称TSN的产品,实际只能支持其中一小部分协议,尚无真正支持所有TSN核心协议的产品面世。

探索工业控制网新标准面临着多方面的挑战。一个大胆的设想是:基于光纤的工业数据传输和控制网是否可行?无源光纤网络(PON)传输技术在商用领域已趋成熟。 历经三十年磨练,公众接入网实现光纤到户(FTTH), 令用户可享受1Gb/s宽带上网。 但是PON能否应用到工业以太网,与控制网相融,仍是未开垦的处女地。

值得注意的是, 传统PON不是为实时应用而设计的,而工业互联网有一系列苛刻的要求,尤其是传输速率、延迟时间、确定性和安全性。

另一方面,工业控制网一旦从铜缆升级到光纤,传输与控制要衔接,相应的控制模块要重新设计,全套协议要另设, 标准要重新制定,这俨然是一个更新换代的颠覆性举措。这需要集成通信传输、局域网协议、计算机硬件软件、半导体芯片设计等多专业的知识技术积累和经验。

二、提出新一代工业控制网解决方案的重要性

工业控制网络是4.0、机器人、自动驾驶汽车的核心技术之一。但是,国内没有真正的工业控制网络基础标准。目前工业控制网络为德国和日本控制。国内厂家使用标准,不仅有支付费用问题,而且可能受到供应链钳制。所以,开发工业控制网络新技术已成为卡脖子的问题。

随着传感器和人工智能AI技术的发展,对于高带宽、低延时相应提出了更高的需求。全球尚没有同时满足这些需求的对策。因而,探求解决方案,提议和树立中国自主标准乃是行业当务之急。

从长远来看,基于铜线的以太网技术在带宽达到10G+的时候,自然会遇到一个复杂度和成本的瓶颈。光电技术却不存在这样的瓶颈,有望崛起成为新一代工业控制网络的核心技术。而整个光电产业也发展到了成熟阶段,无论是光纤本身还是光模块和接口器件,都达到了能够以低成本应对各种恶劣工业环境的程度。所以,基于光电的新型通信协议和技术恰逢其时, 代表了发展趋势。

三、全光纤工业传输控制网的系统架构

鹏瞰科技提出,采用全光纤工业传输和控制的PonCAN网络。 这是无源光纤通信传输和工业控制融合而构建的一个统一网络平台。 在无源光纤传输过程中融合控制器局域网,并实现全网同步。

图一是全光纤工业传输和控制的PonCAN网络架构示意图。如图所示,PonCAN核心网关受中心处理器CPU支配管理。 按装于中心控制站的光线路终端(OLT) 是连接光纤干线的设备。 与传统无源光网不同的是, OLT不是连到光网络单元(ONU), 而是通过分光器连到各个节点 (Node)。

PonCAN在物理上做到点到多点,光纤连到每个节点。每个节点都可以发信息,实现把无源光网PON和控制器整合在一个架构内。在传输过程中一套全新的协议,通过控制功能汇聚成一张完整的网络。

图1. 全光纤工业PonCAN网络架构示意图

四、全光纤工业传输控制网的性能

PonCAN 架构将光纤传输技术引入控制区域网络。光纤连到节点带来的带宽优势发挥了作用,赋能数据洪流。 节点模块与传统意义的光模块(ONU)有很大区别。传输速率可达1Gb/s - 10Gb/s。

在全新的网络协议下,所有节点由一张网链接。必要时还可以国战。简化的架构省略了硬件/软件的交互,将多个功能层次压缩而扁平化。时延低于100µs。

重发机制赋予传输信息的确定性,端到端确认(ACK)可实时检测连接状态。发包做到在很短时间内送到。硬实时调度成为可能。安全性与功能紧密结合在一起。

PonCAN的节点独具特色。每个节点可以配置CPU和SoC,或者各种标准接口的传感器和数据采集器设备(以太网,RS485,CAN,USB,PCIe)。节点也可以配置成为电机控制和执行器,直接满足各种工业应用。

五、全新解决方案中的关键技术

●无源光纤网络传输技术

●局域网同步控制技术

●全套传输控制网协议技术

●三层安全架构技术

●SoC和芯片技术

六、应用前景

这项新技术适用范围很广,几乎涉及工业每个角落。融合高速数据传输和多协议的数据隧道,对智能机器人控制、工业自动化、自动驾驶汽车可直接受益, 对蓬勃发展的集成传感器输入和精密马达控制也产生高效率,还可带动上下游产业的发展。

图2. 全光纤工业PonCAN网络目标应用市场

鹏瞰科技首次提出新一代全光纤工业传输控制网络解决方案,意义非凡。一旦通过验证就意味着,掌握工业控制网络底层基础技术,突破局域网铜缆布线的瓶颈,超越传统控制区域网络的局限性,为树立新的工业控制网络标准奠定了基础。

责编:Amy Guan

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