浅谈工业通信发展

admin 2024年3月5日00:20:39评论9 views字数 4119阅读13分43秒阅读模式

浅谈工业通信发展

浅谈工业通信发展

工业通信初始于70年代的串口通信,随着工业现场计算设备的增加,发展到现场总线时代,后来2000年左右总线逐渐被以太网取代。2020年之后开始逐渐完成无线技术、有线技术、计算设备大融合的新通信场景。工业安全技术则是从2010年伊朗震网病毒之后开始逐渐被大家所熟知,也是从这个阶段开始国内涌现各类的工业安全/工控安全设备。

每个时代的发展都伴随着不同设备的更替,从串口、总线、以太网逐渐更替发展,最终达到工业自动化场景设备的动态感知、实时管控、自主决策目标。

串口通信、现场总线通信

串口通信

串口通信非常简单,串口按位(bit)发送和接收字节。串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。对于串口而言,长度可达1200米。典型的工业串口通信只传输一些波特率、数据位、停止位和奇偶校验等等,随着工业现场设备的增加,传输数据的增加,工业总线通信应运而生。

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总线通信

工业自动化场景在设备量、传输数据增多之后,便开始使用总线方式进行数据传输。总线通信的重要特征是总线上共享所有设备,可将计算机系统内的多种设备连接到总线上。总线通信在传输带宽、接入设备、时效性 等方面还存在不足,也达不到即插即用、实时连接、大并发、大带宽等传输要求。因此,工业以太网在满足其需求的基础上逐步发展成为现在工业自动化场景主要通信方式。

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以太网通信时代

以太网(Ethernet)是当今最通用的通信协议标准,它规定了物理层的连线、电子信号、介质访问协议等内容。在保证即插即用、实时连接、大并发、大带宽的情况下,还具备成本低、抗干扰性强的优点。工业自动化场景从开始部分使用以太网技术,到现在全网采用以太网一网到底的解决方案。

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接口及介质

现在传输介质主要包括:双绞线、光纤(单模光纤、多模光纤)两大类 以及各类型各场景需要接头。

双绞线:把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消,有效降低信号干扰的程度。常用的双绞线有:五类线和超五类线,以及六类线三个规格,传输速率不超过1000Mbps,传输距离不超过100m。

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多模光纤:多模光纤允许不同模式的光于一根光纤上传输,由于多模光纤的芯径较大,故可使用较为廉价的耦合器及接线器,多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。相对于双绞线,多模光纤能够支持较长的传输距离,在10mbps及100mbps的以太网中,多模光纤最长可支持2000米的传输距离,而于1Gbps千兆网中,多模光纤可支持550米(50μm芯径)的传输距离,在10Gbps万兆网中,多模光纤OM3可到300米,OM4可达500米。

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单模光纤:中心玻璃芯很细,只存在一种传输模式的光纤。单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离,在100Mbps的以太网以至1G千兆网,单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。

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RJ45水晶头:RJ45是一种常见的网络接口类型,它是一种8针 Modular Jack(模块化插孔)接头,常用于以太网线缆连接。在计算机网络、局域网(LAN)和电话通信系统中广泛应用。

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各类航插头:全称为航空插头,又称航空插座或航空接插件,是专为航空、航天等需要高性能、高可靠性的领域设计的一种电子连接器。这种接插件具有耐高温、耐高压、耐腐蚀、抗振动、防尘防水、易于快速插拔等特点,能够确保在恶劣环境下稳定、可靠的信号或电力传输。

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各类光纤接头:光纤接头是光纤通信系统中的关键组件,主要用于连接光纤相关设备,保证光信号能够在光纤间高效、低损耗地传输。光纤接头通过对接两根光纤端面来建立物理连接,使得光信号可以在光纤之间连续传播。主要包含:LC、SC、ST、FC等类型接头,这些接头允许用户快速插拔光纤,便于安装和维护。

工业以太网交换机

以太网技术伴随工业自动化应用需求增长而逐渐发展起来。早期的工业网络系统大多采用专有协议和设备,但以太网因其开放性、标准化以及TCP/IP协议优势,在工业控制领域逐步取代了部分传统现场总线。2000年左右,全球在工业自动化、数字化转型的过程中,总线技术已无法满足众多设备接入的大部分需要,工业交换机逐步作为工业通信网络的核心设备。

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工业自动化逐渐从数据传输过渡到智能化、高可靠性、高稳定等。由于工业场景具有耐高温、抗电磁干扰、防尘防水等场景要求。专门针对工业环境设计的工业交换机应运而生,并从2000年开始逐渐发展成为工业自动化中不可或缺的一部分。

工业通信领域也在逐渐集成如下几方面的功能:

智能化,不仅能够实现数据的高速传输,还能对数据进行处理和分析,提供更为丰富的网络管理功能。

高可靠性,开始完善设备冗余设计、热备份等技术手段,能够在极端环境下长时间稳定运行。

定制化,开始针对不同行业的需求,定制化程度将越来越高。

安全性,随着工业互联网的深入发展,网络安全问题日益突出。工业交换机开始与工业网络安全设备逐渐融合。

工业通信通过建设低延时、高可靠、广覆盖的工业互联网网络基础设施,实现数据在工业各个环节的无缝传递,构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施,通过工业互联网网络可以实现工业研发、设计、生产、销售、管理、服务等产业全要素的泛在互联,促进各类工业数据的开放流动和深度融合。

软件设计

工业交换机的嵌入式软件也有很大的变化,从之前的无管理只转发设备,逐渐过渡为支持管理、转发交换的三层交换设备。支持协议也从最开始的二层协议逐渐增加到:VLAN、 RSTP、OSPF、 MSTP、 QOS、 IGMP、 VRRP、802.1x等协议。

软件逐渐开始采用平台化、模块化的设计模式,整体分为平台层、系统抽象层和驱动层三大部分的分层结构。其中,平台层主要负责和用户相关的业务逻辑处理,系统抽象层主要负责用户数据到驱动的映射,驱动层主要负责业务逻辑和硬件逻辑的交互。

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工业交换机的软件发展是与其硬件技术同步进行的,并且随着工业自动化的快速发展,其软件功能不断丰富和完善:

协议支持与兼容性:工业交换机软件不断发展以支持更多的工业通信协议,如EtherCAT、PROFINET、Modbus/TCP、CC-Link IE Field等,确保在各种工业环境中实现设备间的无缝连接和高效通信。

网络管理功能:高级网络管理软件提供了增强的配置、监控和故障排查能力。例如,SNMP(简单网络管理协议)、CLI(命令行界面)、Web GUI(图形用户界面)、Telnet 等工具使操作员能够远程控制和配置交换机,实时查看网络状态,实施策略和安全措施。

安全性强化:软件层面的安全特性得到加强,包括VLAN划分、端口安全、IEEE 802.1X认证、ACL(访问控制列表)、IP/MAC绑定、防火墙功能以及支持加密传输协议,确保工业网络免受非法访问和攻击。

冗余和可靠性:交换机软件增加了对环网冗余协议的支持,如RSTP(快速生成树协议)、MRP(媒体冗余协议)、HSR(高速冗余协议)、PRP(并行冗余协议)等,提高网络的稳定性和可用性。

服务质量(QoS)优化:为了满足不同工业应用对于数据传输时延、抖动和带宽的需求,工业交换机软件实现了更精细的QoS策略设定和优先级调度机制。

智能化与数据分析:新一代的工业交换机可能集成了更多智能分析功能,通过内置软件算法可以进行流量预测、故障预警和诊断,甚至结合AI技术进行自我优化和维护。

云管理与大数据整合:随着云计算和大数据技术的应用,工业交换机的软件平台开始支持云端集中管理、远程运维以及与其他工业大数据系统的集成。

总之,工业交换机的软件发展趋势是向着更加智能、可靠、安全、易用的方向发展,旨在更好地服务于复杂的工业环境和未来的智能制造需求。

硬件设计

工业交换机硬件平台从最初的100M带宽非网管交换机,逐渐过渡到1G、10G网管型交换机,从早期单MAC芯片,逐渐过渡网管型交换机,最终达到工业交换机“CPU、MAC、PHY”三大芯片的硬件布局:

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工业交换机硬件的发展主要体现在以下几个方面:

高速化与高带宽:随着技术的进步,工业交换机支持的网络速度不断提高,从最初的快速以太网(10/100 Mbps)发展到千兆以太网(1 Gbps),甚至更高速度如10 Gbps、25 Gbps、40 Gbps和100 Gbps。这种发展满足了现代工业环境中大量数据传输的需求。

端口密度增加:工业交换机设计趋向于更高的端口密度,这意味着在同样大小的空间内可以容纳更多的网络接口,便于构建大规模连接的工业网络。

冗余电源与散热设计:工业环境往往需要更高的设备可靠性,因此工业交换机采用冗余电源系统,并改进散热设计,确保在极端温度、湿度和振动环境下也能稳定运行。

增强的物理防护能力:工业级交换机通常具有坚固耐用的金属外壳,具备防尘、防水、防腐蚀等特性,适应恶劣的工业现场条件,温度范围能达到:-40℃~+85℃并且抗电磁干扰能力至少达到工业3级 等强大的防护防护能力。

环网冗余技术支持:硬件层面支持多种冗余协议,比如HSR(高速冗余)、PRP(并行冗余协议)以及Ring redundancy protocols(环网冗余协议),提高网络架构的稳定性及故障恢复时间。

PoE功能集成:为支持更多工业物联网应用,越来越多的工业交换机集成了PoE(Power over Ethernet)功能,能够通过以太网线同时传输数据和供电给其他设备,如IP摄像头、无线接入点和传感器等。

模块化设计:高端工业交换机采用了模块化设计,允许用户根据实际需求灵活配置端口类型和数量,例如SFP、SFP+、QSFP等不同类型的光模块或电接口模块。

实时性提升:针对工业控制系统的实时性要求,工业交换机硬件设计也针对时钟同步、优先级队列管理等进行优化,确保关键数据的及时传输。

边缘计算能力:近年来,部分工业交换机开始集成边缘计算功能,提供本地数据分析和处理的能力,减少对云端依赖的同时提高了响应速度。

综上所述,工业交换机的硬件发展着重于提升性能、增强可靠性和适应复杂工业环境,同时也不断引入新的技术和功能来满足智能制造和工业4.0时代的新需求。

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原文始发于微信公众号(珞安科技):浅谈工业通信发展

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