一、目前工業互聯網面臨的挑戰

目前全球和中國市場上，工業控制網絡主要采用CAN和工業以太網（Industrial Ethernet）等技術。這些技術具有共同的不足之處：

• 帶寬低，例如CAN為1Mbps，工業以太網帶寬最高為1Gbps；
  
• 時延高，例如部署30個節點，時延通常在毫秒級；
  
• 實時性差，不易保證高優先級的業務暢通；
  
• 可靠性和安全性低；
  
• 技術復雜，標準多，網絡連接龐大，使用成本過高。
  

基于以太網的TSN（Time Sensitive Network -時間敏感網絡）網絡技術，協議復雜，仍處在標準制定階段。 目前其最高帶寬仍然只能達到1Gbps。延遲和確定性還不能達到工業控制網絡的需求。在將來更高帶寬的演進中，技術復雜度會指數增長。迄今為止所有號稱TSN的產品，實際只能支持其中一小部分協議，尚無真正支持所有TSN核心協議的產品面世。

探索工業控制網新標準面臨著多方面的挑戰。一個大膽的設想是：基于光纖的工業數據傳輸和控制網是否可行？無源光纖網絡（PON）傳輸技術在商用領域已趨成熟。 歷經三十年磨練，公眾接入網實現光纖到戶（FTTH）， 令用戶可享受1Gb/s寬帶上網。 但是PON能否應用到工業以太網，與控制網相融，仍是未開墾的處女地。

值得注意的是， 傳統PON不是為實時應用而設計的，而工業互聯網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，工業控制網一旦從銅纜升級到光纖，傳輸與控制要銜接，相應的控制模塊要重新設計，全套協議要另設， 標準要重新制定，這儼然是一個更新換代的顛覆性舉措。這需要集成通信傳輸、局域網協議、計算機硬件軟件、半導體芯片設計等多專業的知識技術積累和經驗。

二、提出新一代工業控制網解決方案的重要性

工業控制網絡是4.0、機器人、自動駕駛汽車的核心技術之一。但是，國內沒有真正的工業控制網絡基礎標準。目前工業控制網絡為德國和日本控制。國內廠家使用標準，不僅有支付費用問題，而且可能受到供應鏈鉗制。所以，開發工業控制網絡新技術已成為卡脖子的問題。

隨著傳感器和人工智能AI技術的發展，對于高帶寬、低延時相應提出了更高的需求。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準乃是行業當務之急。

從長遠來看，基于銅線的以太網技術在帶寬達到10G+的時候，自然會遇到一個復雜度和成本的瓶頸。光電技術卻不存在這樣的瓶頸，有望崛起成為新一代工業控制網絡的核心技術。而整個光電產業也發展到了成熟階段，無論是光纖本身還是光模塊和接口器件，都達到了能夠以低成本應對各種惡劣工業環境的程度。所以，基于光電的新型通信協議和技術恰逢其時， 代表了發展趨勢。

三、全光纖工業傳輸控制網的系統架構

鵬瞰科技提出，采用全光纖工業傳輸和控制的PonCAN網絡。 這是無源光纖通信傳輸和工業控制融合而構建的一個統一網絡平臺。 在無源光纖傳輸過程中融合控制器局域網，并實現全網同步。

圖一是全光纖工業傳輸和控制的PonCAN網絡架構示意圖。如圖所示，PonCAN核心網關受中心處理器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備。 與傳統無源光網不同的是， OLT不是連到光網絡單元（ONU）， 而是通過分光器連到各個節點 （Node）。

PonCAN在物理上做到點到多點，光纖連到每個節點。每個節點都可以發信息，實現把無源光網PON和控制器整合在一個架構內。在傳輸過程中一套全新的協議，通過控制功能匯聚成一張完整的網絡。

圖1：全光纖工業PonCAN網絡架構示意圖

四、全光纖工業傳輸控制網的性能

PonCAN 架構將光纖傳輸技術引入控制區域網絡。光纖連到節點帶來的帶寬優勢發揮了作用，賦能數據洪流。 節點模塊與傳統意義的光模塊（ONU）有很大區別。傳輸速率可達1Gb/s - 10Gb/s。

在全新的網絡協議下，所有節點由一張網鏈接。必要時還可以國戰。簡化的架構省略了硬件/軟件的交互，將多個功能層次壓縮而扁平化。時延低于100μs。

重發機制賦予傳輸信息的確定性，端到端確認（ACK)可實時檢測連接狀態。發包做到在很短時間內送到。硬實時調度成為可能。安全性與功能緊密結合在一起。

PonCAN的節點獨具特色。每個節點可以配置CPU和SoC，或者各種標準接口的傳感器和數據采集器設備（以太網，RS485，CAN，USB，PCIe）。節點也可以配置成為電機控制和執行器，直接滿足各種工業應用。

五、全新解決方案中的關鍵技術

• 無源光纖網絡傳輸技術
  
• 局域網同步控制技術
  
• 全套傳輸控制網協議技術
  
• 三層安全架構技術
  
• SoC和芯片技術
  

六、應用前景

這項新技術適用范圍很廣，幾乎涉及工業每個角落。融合高速數據傳輸和多協議的數據隧道，對智能機器人控制、工業自動化、自動駕駛汽車可直接受益， 對蓬勃發展的集成傳感器輸入和精密馬達控制也產生高效率，還可帶動上下游產業的發展。

圖2：全光纖工業PonCAN網絡目標應用市場

鵬瞰科技首次提出新一代全光纖工業傳輸控制網絡解決方案，意義非凡。一旦通過驗證就意味著，掌握工業控制網絡底層基礎技術，突破局域網銅纜布線的瓶頸，超越傳統控制區域網絡的局限性，為樹立新的工業控制網絡標準奠定了基礎。


文章來源：ednchina費宗蓮

編輯：ymf