新一代全光纖工業(yè)傳輸控制網(wǎng)采用了哪些關(guān)鍵技術(shù)？

一、目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

目前全球和中國市場上，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要采用CAN和工業(yè)以太網(wǎng)（Industrial Ethernet）等技術(shù)。這些技術(shù)具有共同的不足之處：

• 帶寬低，例如CAN為1Mbps，工業(yè)以太網(wǎng)帶寬最高為1Gbps；
  
• 時延高，例如部署30個節(jié)點，時延通常在毫秒級；
  
• 實時性差，不易保證高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)暢通；
  
• 可靠性和安全性低；
  
• 技術(shù)復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)多，網(wǎng)絡(luò)連接龐大，使用成本過高。
  

基于以太網(wǎng)的TSN（Time Sensitive Network -時間敏感網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)議復(fù)雜，仍處在標(biāo)準(zhǔn)制定階段。 目前其最高帶寬仍然只能達(dá)到1Gbps。延遲和確定性還不能達(dá)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的需求。在將來更高帶寬的演進(jìn)中，技術(shù)復(fù)雜度會指數(shù)增長。迄今為止所有號稱TSN的產(chǎn)品，實際只能支持其中一小部分協(xié)議，尚無真正支持所有TSN核心協(xié)議的產(chǎn)品面世。

探索工業(yè)控制網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)面臨著多方面的挑戰(zhàn)。一個大膽的設(shè)想是：基于光纖的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸和控制網(wǎng)是否可行？無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）傳輸技術(shù)在商用領(lǐng)域已趨成熟。 歷經(jīng)三十年磨練，公眾接入網(wǎng)實現(xiàn)光纖到戶（FTTH）， 令用戶可享受1Gb/s寬帶上網(wǎng)。 但是PON能否應(yīng)用到工業(yè)以太網(wǎng)，與控制網(wǎng)相融，仍是未開墾的處女地。

值得注意的是， 傳統(tǒng)PON不是為實時應(yīng)用而設(shè)計的，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有一系列苛刻的要求，尤其是傳輸速率、延遲時間、確定性和安全性。

另一方面，工業(yè)控制網(wǎng)一旦從銅纜升級到光纖，傳輸與控制要銜接，相應(yīng)的控制模塊要重新設(shè)計，全套協(xié)議要另設(shè)， 標(biāo)準(zhǔn)要重新制定，這儼然是一個更新?lián)Q代的顛覆性舉措。這需要集成通信傳輸、局域網(wǎng)協(xié)議、計算機(jī)硬件軟件、半導(dǎo)體芯片設(shè)計等多專業(yè)的知識技術(shù)積累和經(jīng)驗。

二、提出新一代工業(yè)控制網(wǎng)解決方案的重要性

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是4.0、機(jī)器人、自動駕駛汽車的核心技術(shù)之一。但是，國內(nèi)沒有真正的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。目前工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)為德國和日本控制。國內(nèi)廠家使用標(biāo)準(zhǔn)，不僅有支付費(fèi)用問題，而且可能受到供應(yīng)鏈鉗制。所以，開發(fā)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)已成為卡脖子的問題。

隨著傳感器和人工智能AI技術(shù)的發(fā)展，對于高帶寬、低延時相應(yīng)提出了更高的需求。全球尚沒有同時滿足這些需求的對策。因而，探求解決方案，提議和樹立中國自主標(biāo)準(zhǔn)乃是行業(yè)當(dāng)務(wù)之急。

從長遠(yuǎn)來看，基于銅線的以太網(wǎng)技術(shù)在帶寬達(dá)到10G+的時候，自然會遇到一個復(fù)雜度和成本的瓶頸。光電技術(shù)卻不存在這樣的瓶頸，有望崛起成為新一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。而整個光電產(chǎn)業(yè)也發(fā)展到了成熟階段，無論是光纖本身還是光模塊和接口器件，都達(dá)到了能夠以低成本應(yīng)對各種惡劣工業(yè)環(huán)境的程度。所以，基于光電的新型通信協(xié)議和技術(shù)恰逢其時， 代表了發(fā)展趨勢。

三、全光纖工業(yè)傳輸控制網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)

鵬瞰科技提出，采用全光纖工業(yè)傳輸和控制的PonCAN網(wǎng)絡(luò)。 這是無源光纖通信傳輸和工業(yè)控制融合而構(gòu)建的一個統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺。 在無源光纖傳輸過程中融合控制器局域網(wǎng)，并實現(xiàn)全網(wǎng)同步。

圖一是全光纖工業(yè)傳輸和控制的PonCAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。如圖所示，PonCAN核心網(wǎng)關(guān)受中心處理器CPU支配管理。 按裝于中心控制站的光線路終端（OLT） 是連接光纖干線的設(shè)備。 與傳統(tǒng)無源光網(wǎng)不同的是， OLT不是連到光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）， 而是通過分光器連到各個節(jié)點 （Node）。

PonCAN在物理上做到點到多點，光纖連到每個節(jié)點。每個節(jié)點都可以發(fā)信息，實現(xiàn)把無源光網(wǎng)PON和控制器整合在一個架構(gòu)內(nèi)。在傳輸過程中一套全新的協(xié)議，通過控制功能匯聚成一張完整的網(wǎng)絡(luò)。

圖1：全光纖工業(yè)PonCAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

四、全光纖工業(yè)傳輸控制網(wǎng)的性能

PonCAN 架構(gòu)將光纖傳輸技術(shù)引入控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。光纖連到節(jié)點帶來的帶寬優(yōu)勢發(fā)揮了作用，賦能數(shù)據(jù)洪流。 節(jié)點模塊與傳統(tǒng)意義的光模塊（ONU）有很大區(qū)別。傳輸速率可達(dá)1Gb/s - 10Gb/s。

在全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，所有節(jié)點由一張網(wǎng)鏈接。必要時還可以國戰(zhàn)。簡化的架構(gòu)省略了硬件/軟件的交互，將多個功能層次壓縮而扁平化。時延低于100μs。

重發(fā)機(jī)制賦予傳輸信息的確定性，端到端確認(rèn)（ACK)可實時檢測連接狀態(tài)。發(fā)包做到在很短時間內(nèi)送到。硬實時調(diào)度成為可能。安全性與功能緊密結(jié)合在一起。

PonCAN的節(jié)點獨具特色。每個節(jié)點可以配置CPU和SoC，或者各種標(biāo)準(zhǔn)接口的傳感器和數(shù)據(jù)采集器設(shè)備（以太網(wǎng)，RS485，CAN，USB，PCIe）。節(jié)點也可以配置成為電機(jī)控制和執(zhí)行器，直接滿足各種工業(yè)應(yīng)用。

五、全新解決方案中的關(guān)鍵技術(shù)

• 無源光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)
  
• 局域網(wǎng)同步控制技術(shù)
  
• 全套傳輸控制網(wǎng)協(xié)議技術(shù)
  
• 三層安全架構(gòu)技術(shù)
  
• SoC和芯片技術(shù)
  

六、應(yīng)用前景

這項新技術(shù)適用范圍很廣，幾乎涉及工業(yè)每個角落。融合高速數(shù)據(jù)傳輸和多協(xié)議的數(shù)據(jù)隧道，對智能機(jī)器人控制、工業(yè)自動化、自動駕駛汽車可直接受益， 對蓬勃發(fā)展的集成傳感器輸入和精密馬達(dá)控制也產(chǎn)生高效率，還可帶動上下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖2：全光纖工業(yè)PonCAN網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)應(yīng)用市場

鵬瞰科技首次提出新一代全光纖工業(yè)傳輸控制網(wǎng)絡(luò)解決方案，意義非凡。一旦通過驗證就意味著，掌握工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)底層基礎(chǔ)技術(shù)，突破局域網(wǎng)銅纜布線的瓶頸，超越傳統(tǒng)控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的局限性，為樹立新的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。


文章來源：ednchina費(fèi)宗蓮

編輯：ymf