AUTBUS高速工業(yè)現(xiàn)場總線

印寧華|Indining China|

2022-11-26 16:53:16 709

當前流程工業(yè)現(xiàn)場總線的通信速率以低速為主。HART通信速率是1.2kbps. FF H1總線和PROFIBUS PA的通信速率是31.25kbps. MODBUS RTU和PROFIBUS DP的物理層是RS-485，其通信速率不會超過12Mbps。

究其主要原因，這些廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)現(xiàn)場的總線通信技術(shù)起源于上個世紀九十年代，反映了當時的數(shù)據(jù)通信的技術(shù)水平。而由于流程工業(yè)的自身原因，工業(yè)現(xiàn)場總線發(fā)展緩慢，以今天眼光看來已經(jīng)非常落后的技術(shù)仍然牢牢地占據(jù)了工業(yè)現(xiàn)場通信的主流地位。

這些技術(shù)都沒能解決現(xiàn)場儀表信號高效大容量傳輸?shù)膯栴}。智能工廠和工業(yè)4.0要求的現(xiàn)場數(shù)據(jù)越來越多，目前工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)已不能滿足要求。將高速現(xiàn)場總線應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場成為目前技術(shù)發(fā)展的迫切要求。

一種新型高速工業(yè)現(xiàn)場總線 AUTBUS應(yīng)運而生，做出了將高速現(xiàn)場總線應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的嘗試。東土科技作為單對以太網(wǎng)（SPE）系統(tǒng)聯(lián)盟，AUTBUS寬帶實時總線技術(shù)在國際工業(yè)聯(lián)接巨頭用戶解決方案上得以成功應(yīng)用。

日前，由東土科技主導制定的又一*標準《基于時間敏感技術(shù)的寬帶工業(yè)總線AUTBUS系統(tǒng)架構(gòu)與通信規(guī)范》正式發(fā)布。這是繼AUTBUS被接受為IEC國際標準后的又一重要里程碑，也標志著該技術(shù)在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的時機已經(jīng)成熟。

與5G標準同行中國AUTBUS全IP工業(yè)網(wǎng)絡(luò)國際標準引領(lǐng)全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

AUTBUS作為一種高速的時間敏感網(wǎng)絡(luò)總線，能用于過程控制、離散控制等工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的傳輸與應(yīng)用，也能承載ISO/IEC/IEEE 8802-3以太網(wǎng)業(yè)務(wù)及IPv6等應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸，具有高帶寬、高實時、遠距離、布線和安裝簡單等優(yōu)勢。AUTBUS標準突破了新的物理層技術(shù)，實現(xiàn)了工業(yè)控制領(lǐng)域最后一公里，在不改變傳統(tǒng)線纜習慣情況下可實現(xiàn)寬帶接入。AUTBUS可在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)底層讓各個工業(yè)通信的節(jié)點內(nèi)實現(xiàn)高帶寬實時互聯(lián)互通，是工業(yè)控制通信技術(shù)的新突破；AUTBUS與5G、TSN等技術(shù)的結(jié)合，將加速推動人工智能在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，促進全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)飛躍式發(fā)展。

2020年，由東土科技參股成立的北京神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)公司研發(fā)出基于AUTBUS標準的總線芯片，該芯片完全自主可控，并在國內(nèi)石油天然氣、工業(yè)機器人等行業(yè)領(lǐng)域得到驗證和應(yīng)用。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)*標準與國際標準的先行者和制定者，東土科技自主研發(fā)的AUTBUS標準技術(shù)實現(xiàn)了我國在工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域*同時具有國際標準和自研芯片的共同支撐，為中國下一代智能工業(yè)實現(xiàn)完全自主可控提供了有力保障。

AUTBUS是一種采用兩線非橋接媒介，具有多節(jié)點、高帶寬、高實時、可遠距離傳輸?shù)墓I(yè)現(xiàn)場總線。總線數(shù)據(jù)帶寬達到100Mbps，最大傳輸距離500米，最小循環(huán)周期8微秒，最大節(jié)點數(shù)256個。

AUTBUS用于過程控制和離散控制等自動化控制工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的傳輸與應(yīng)用，兼容ISO/IEC/IEEE 802.3以太網(wǎng)、IPv6等應(yīng)用。

AUTBUS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基本參考模型如圖1所示。一個AUTBUS總線系統(tǒng)可支持254個有效節(jié)點，其中一個為控制節(jié)點、其他為終端用戶節(jié)點。控制節(jié)點負責管理、分配、回收各系統(tǒng)資源，并實時給所有節(jié)點推送系統(tǒng)配置、分配通信帶寬等。

AUTBUS使用總線式組網(wǎng)，通過系統(tǒng)預(yù)配置或動態(tài)申請的方式，提供固定帶寬數(shù)據(jù)服務(wù)和支持突發(fā)數(shù)據(jù)的可變帶寬數(shù)據(jù)服務(wù)；針對周期性采樣數(shù)據(jù)，突發(fā)性的控制、告警以及ISO/IEC/IEEE 8802-3以太網(wǎng)格式的IPv4/IPv6數(shù)據(jù)均能提供可靠和確定性的承載。具有高精度時鐘同步的功能，基于時間觸發(fā)提供對時間敏感性和非時間敏感性業(yè)務(wù)提供確定性的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

AUTBUS協(xié)議棧架構(gòu)如圖2所示，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三部分。

物理層是基于OFDM技術(shù)實現(xiàn)了在兩線上創(chuàng)建基于共享介質(zhì)的現(xiàn)場總線；完成物理信號的轉(zhuǎn)換以保障高可靠性傳輸；在OFDM時域及頻域上進行物理資源的劃分與管理，以承載數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)。物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供了時鐘管理服務(wù)、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和物理層管理服務(wù)三大類接口。

數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）主要包含LLC子層和MAC子層兩層，其中LLC子層包含AUTBUS LLC、時鐘同步模塊和ISO/IEC/IEEE 8802-3 LLC模塊；MAC子層包括AUTBUS MAC和支撐ISO/IEC/IEEE 8802-3MAC的AUTBUS MAC sub層。數(shù)據(jù)鏈路層向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)、數(shù)據(jù)鏈路管理服務(wù)和時鐘同步服務(wù)三種服務(wù)接口。

應(yīng)用層（AL）包括基于實時應(yīng)用和非實時應(yīng)用的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊與系統(tǒng)管理服務(wù)模塊、時間服務(wù)模塊、基于IPv4/IPv6的TCP/UDP模塊。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊提供用戶完成實時和非實時相關(guān)業(yè)務(wù)的處理，區(qū)分實時和非實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；系統(tǒng)管理服務(wù)模塊實現(xiàn)對AUTBUS系統(tǒng)拓撲、狀態(tài)的管理與維護；時間服務(wù)模塊提供時鐘同步、時鐘查詢等服務(wù)。

AUTBUS將在工業(yè)控制、汽車電子、航空、智能城市等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

基于AUTBUS總線的儀表安全監(jiān)測系統(tǒng)

工業(yè)控制系統(tǒng)例如石油氣管道站場和大型石化工廠現(xiàn)場需要采集大量現(xiàn)場參數(shù)，通過對這些采集數(shù)據(jù)的分析控制相關(guān)的儀器儀表和制動設(shè)備，這種自動化過程控制要求數(shù)據(jù)采集的準確性，現(xiàn)場控制的實時性，精確性，AUTBUS可以滿足其高性能的需求。

AUTBUS DEMO重點展示了為儀表安全監(jiān)測需要高精度、高實時監(jiān)控的領(lǐng)域所研制開發(fā)的總線系統(tǒng)設(shè)備，AUTBUS是該DEMO所擁有的核心技術(shù)。AUTBUS在這臺設(shè)備里主要解決工業(yè)現(xiàn)場智能化儀器儀表、控制器及執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備間的數(shù)字通信、現(xiàn)場控制設(shè)備和*控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。此Demo充分展現(xiàn)了AUTBUS的突出優(yōu)勢：高實時確定性傳輸，具備多點通信能力，可支持高達254個無源節(jié)點，支持線型、環(huán)型總線，并支持雙環(huán)型冗余，具備100Mbps@500m的傳輸性能優(yōu)勢。

基于AUTBUS開發(fā)的智能化決策模塊、移動感知模塊、智能定位模塊、地圖構(gòu)架、快速導航等模塊，實現(xiàn)邊緣計算智能化、敏捷化的運動控制系統(tǒng)，將在智能電網(wǎng)、核電、風電、太陽能、石油化工、軌道交通、城市管廊、礦山、冶金、水務(wù)、無人汽車、機器人、智能交通、船舶等行業(yè)發(fā)揮新一代工業(yè)控制體系應(yīng)有的作用。

AUTBUS技術(shù)實現(xiàn)了在現(xiàn)場總線領(lǐng)域*引入寬帶解決方案，進一步完善并推動了國際工業(yè)通信現(xiàn)場總線體系發(fā)展。該國際標準的成功立項，說明我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)底層協(xié)議架構(gòu)獲得國際認可，標志著中國在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面可提供從芯片到系統(tǒng)的標準化解決方案，為實現(xiàn)以高標準助力高技術(shù)創(chuàng)新、引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

應(yīng)用實例
高速寬帶實時總線物聯(lián)網(wǎng)化交通路口

一種基于高速寬帶實時總線技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)+信號燈首現(xiàn)海口。 ?？诿捞m機動車駕駛科目三考場路口采用了東土AUTBUS高速寬帶實時總線黑科技，用一根線纜實現(xiàn)了對所有信號燈的供電和聯(lián)網(wǎng)。

這項黑科技顛覆了傳統(tǒng)信號一燈一線的技術(shù)方案，既省錢又美觀，既縮短了工期又能提高維護效率。初步估算對比傳統(tǒng)方案線纜布線總長度降低了70%，施工時間縮短了25%，一根總線連接多組燈頭，在路口擴建時無需重新頂管破路，輕松實現(xiàn)路口設(shè)施的擴展。

AUTBUS芯片的燈具也成為具備IPv6的智能燈具，并具備夜間自動降光和LED故檢測與報警功能，通過后臺預(yù)測性維護大大降低整體運維成本。

AUTBUS支持在標準雙絞線上傳輸100M帶寬數(shù)據(jù)至500米的距離，不僅可以實現(xiàn)燈具的總線式接入，還可以對路口的各種檢測設(shè)備包括視頻和傳感器進行接入，確保用最少的布線實現(xiàn)路口設(shè)備IP化互聯(lián)與管理。同時，AUTBUS總線還可以支持環(huán)網(wǎng)冗余與雙總線冗余的方式，確保現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)可靠性達到工業(yè)級的標準。在無法對現(xiàn)有燈具進行改造的情況下，也可以提供AUTBUS接口盒子，將傳統(tǒng)燈具和檢測設(shè)備用傳統(tǒng)電纜接入盒子后進行兩線制轉(zhuǎn)換。通過接口盒子的轉(zhuǎn)接能力可以大大加強方案對于傳統(tǒng)終端設(shè)備的支持，增加系統(tǒng)的兼容性。

基于AUTBUS技術(shù)在交通行業(yè)的應(yīng)用，還有完整的GAEA高可靠通訊產(chǎn)品系列，包括AUTBUS通訊核心板，支持AUTBUS總線的服務(wù)器DDU模塊，GAEA-D總線型燈具，GAEA-B多功能控制接口盒子與GAEA-G通訊網(wǎng)關(guān)。

AUTBUS高速現(xiàn)場工業(yè)總線主導制定者－東土科技愿與所有合作伙伴一起進行深度耦合的生態(tài)合作，共同推進高速寬帶實時總線在交通行業(yè)的推廣，利用科技創(chuàng)新手段為我國的交通事業(yè)帶來一股新風。

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