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工业互联网对以太网数据传输提出新要求
发布日期:2018-11-20    关键字:深圳联瑞,LR-LINK,工业互联网,以太网数据传输,PoE网卡,Mini PCIe网卡

近期刚结束的第五届世界互联网大会,再次将工业互联网这个话题推向了高潮。下文将从三个方面出发,逐步为大家揭示工业互联网新时代如何对以太网数据传输提出新的要求。

首先追溯到德国实施工业4.0战略与美国推动工业互联网概念的历史背景,在总结二者差异,把握各自重点、特征的同时剖析二者理念的相近之处,深刻了解工业互联网的基本内涵。其次分析工业互联网与传统互联网的区别,了解工业互联网为何会对以太网数据传输提出新要求。最后分享工业互联网的关键技术,为大家揭示在工业互联网应用环境下,以太网数据传输应满足哪些新要求。


一、德国工业4.0战略与美国工业互联网概念的异同

德国的工业4.0与美国工业互联网二者理念基本相近,侧重点略有区别。

工业4.0战略偏重生产制造的“硬”环节。它立足于“智能工厂”与“智能生产”两大主题,更加注重生产与制造过程,旨在推进生产或服务模式由集中式控制向分散式增强型控制转变,提高资源利用率,实现高度灵活的个性化和数字化生产或服务。

工业互联网偏重分析服务的“软”环节。它更加注重物联网、互联网、大数据等对生产设备管理与服务性能的改善,提出要将工业与互联网在设计、研发、制造、营销等各个阶段进行充分融合,通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析,挖掘生产或服务系统在性能提高、质量提升等方面的潜力,以提高整个系统的运行效率,实现通信、控制和计算的集合。

二者理念相近之处在于,它们都提倡利用信息化、智能化技术改造当前的生产制造与服务模式。都是以物联网和互联网为基础,进行实时数据的收集、传输、处理和反馈,其中涉及到的数据传输工作均由以太网网卡完成


二、工业互联网与传统互联网的区别

       工业互联网与传统互联网有很大不同。工业互联网主要是工业产业网络终端机器设备之间的联接,难点在工控协议;传统互联网是普通消费者(通过电脑、手机、平板、服务器等)的联接,成熟且分布广泛。传统互联网是统一标准协议,开放网络;工业互联网是不兼容协议、封闭网络。他们最大的区别在于,工业互联网在底层边缘层强调设备的接入,即工业互联网的架构相比传统互联网架构体系,多了一层涉及到传感器等设备接入的边缘层。如下图所示:

来源 工业互联网平台白皮书

1. 联接量级。

传统互联网联接几十亿消费人群和电脑设备;工业互联网联接几百亿生产设备。

2.标准化程度

对比传统互联网,工业互联网标准碎片化较为突出。首先,对比传统互联网本身就是单纯的IT网络,工业互联网涉及到IT网络和OT网络的融合,自然需要融合多通信协议和标准。其次,工业互联网IP化程度与传统互联网不可同日而语,多种应用协议并存,如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等,多数边缘设备无法支持HTTP协议族,这也是边缘设备计算能力差异化的侧面反映。最后,工业互联网在设备、服务寻址方面没有类似DNS这样的统一标识解析服务,解析服务同样标准碎片化,例如Handle、OID、Ecode等分别由不同组织发起。

3.网络拓扑和系统构成

传统互联网由于采用建立在TCP/IP上的HTTP通信机制,使用B/S或C/S模式,对网络拓扑的敏感性和依赖性较低,其通信转换大多为端口转发,基本不涉及协议转换。

工业互联网基于网关的多协议转换正获得普遍应用,例如GE推出的数据采集转换模块Predix Machine。由于系统上下层通信依赖网关,因此工业互联网对网络拓扑较传统互联网更敏感。同时,由于众多设备接入,数据成指数级增长,但是传输带宽却是有限的,因此边缘计算节点在工业互联网部署中,相比传统互联网更具必要性。

4.数据特性

工业互联网与传统互联网相比,有着完全不同的数据特性。如下表所示:

来源 苏宁金融研究院

数据特性的不同直接导致系统架构设计侧重点的不同。

①并发连接。

由于工业互联网(IIOT)接入并发居多,这意味着其接入设计需采用异步通信接入。相比Web接入,很多成熟的架构多以同步通信为主。

②数据时序性。

工业互联网(IIOT)接入的数据有着很强的时间顺序,数据产生频率快,测点多,数据量巨大。传统关系型数据库无法满足对时间序列数据的有效存储与处理,因此需要使用专门的时序性数据库例如InfluxDB等。

③数据关联性。

相比传统互联网,工业互联网(IIOT)接入的数据维度和类型多而广。由于是时序数据,对于突发事件而言,数据间隐含着较强关联性。这需要系统架构支持数据融合,以便深度挖掘数据间的关联性,更好的支持上层业务系统决策。

④延时容忍度。

传统互联网无需毫秒级的实时响应,适度延迟不影响使用结果;工业互联网需要毫秒或百纳秒级的实时响应,需要时间敏感网络TSN。工业互联网由于涉及OT网络和实时控制,对系统的延时要求较传统互联网要高得多。因此,系统延时往往需要从边端设备就开始规划和设计,例如软实时操作系统Linux有时不能满足需求,基于硬实时的RTOS可有效降低边端设备数据采集的延时不确定性。

 

正因为各方面存在差异,导致传统互联网架构不能直接应用于工业互联网(IIOT),这就对工业互联网应用下的以太网数据传输提出了新的要求。

 

三、工业互联网的关键技术

1、OPC Unified Architecture 标准

OPC UA标准是工业互联网OT网络的通信标准协议与数据语义定义标准。利用OPC UA 技术可以实现工业以太网、工业总线等物理连接的设备、传感器、PLC、控制系统、管理软件等不同来源的不同协议间的数据转换。同时,OPC UA标准的支持将有利于OT网络与IT网络的融合。

2、IEEE Time Sensitive Network(TSN)网络

任何一个网络,只要处理多源时序数据,就需要有统一的时间认知,即统一全局时间。 传统互联网和消费级物联网,利用网络内基于GPS的基准时钟,采用NTP时钟同步算法完成全网时间同步,精度一般在秒级。然而,工业互联网由于需要实时控制,要求的时间精度往往在微秒级,这需要更加精确的同步算法。IEEE提出的TSN网络就是一个包含通用精准时间同步(gPTP)算法的工业互联网标准,此标准解决2个问题:

①工业通信标准的碎片化。

该标准定义了以太网为统一物理层有线链路连接OT网络和IT网络,结合前文提到的OPC UA实现整体的IT与OT在有线网络接入层融合。

②基于Mac层的通用时间同步算法gPTP。STN下定义的802.1AS时间同步标准可应用于有线和无线网络,同步精度达到微秒级,很好的满足了工业互联网对于时间控制精度的需求。

3、IPv6标准

IPv6协议海量寻址空间与IOT设备的海量基数天然匹配,是工业互联网IP层的未来标准协议,在中国国务院发布的《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》中,已经明确指出需要大力发展。

 

深圳市联瑞电子有限公司提供的所有以太网网卡可完美兼容以上功能,针对工业互联网市场主要提供以下系列以太网网卡:

1.PoE图像采集卡(同时提供数据传输和PoE供电功能)


为工业设备上的工业相机(采集数据)和计算机(分析数据)之间搭建数据传输的桥梁。它可以在现有的双绞线网络布线的基础上进行工作,在以太网进行数据信号传输的同时对PoE工业相机进行合适的电源供给(无需外接电源),促进了低功耗网络设备的应用。

2.非PoE网卡(提供数据传输功能)

3. Mini PCIe网卡(提供数据传输功能)


采用了Mini PCI-e插槽设计,可在工控机、嵌入式电脑、单板机、数字多媒体等网络设备等含有Mini PCIe接口插槽的工业设备上使用,可以极力解决设备空间紧凑问题,可实现Windows、Linux等系统支持。

 

 

来源:

1.中国工控网 工业4.0与工业互联网有哪些不同之处?

2.中国工控网 工业互联网关键技术研究

3.苏宁财富 苏宁金融研究院物联网实验室高级研究员 王元 《资讯干货!工业互联网将给中国制造业怎样的未来?》

4.搜狐科技 Herbert今日看科技 你真的知道“工业互联网”吗?




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