多業(yè)務工業(yè)互聯(lián)網光傳輸系統(tǒng)
1 概述
1.1 背景
信息化、工業(yè)化兩化融合的概念自十六大提出以來，在國民經濟和社會信息化發(fā)展中占據重要及基礎地位，隨著我國進入“十三五”時期，為實現(xiàn)“工業(yè)2025”
戰(zhàn)略，政府提出了大力推進信息化和工業(yè)化深度融合的要求。兩化深度融合的目的是借助企業(yè)信息化技術，引入“智能制造”、“智能產品”等新概念以及“云計算”、“大數據”、“物聯(lián)網”等信息化工具，將信息化與企業(yè)的研發(fā)、制造、銷售、管理等各個方面進行深度融合，從而完成從“企業(yè)信息化”向“信息化企業(yè)”的徹底轉型，繼而帶動整個中國工業(yè)從根本上改變結構和格局。在這之前，黨中央、國務院已先后出臺《中國制造2025》、《關于積極推進“互聯(lián)網+”行動的指導意見》、《關于深化制造業(yè)與互聯(lián)網融合發(fā)展的指導意見》、《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等系列文件。
新一代信息技術產業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)，其技術創(chuàng)新體現(xiàn)在硬件技術與軟件技術的融合發(fā)展、產品和內容的融合不同層面；其本質是需求層次不斷升級推動技術持續(xù)進步，不同程度、不同組合方式、不同應用領域的融合都會催生出新的產品和新的應用，形成新的市場機會。而當前國內外在工業(yè)環(huán)境下的信息傳輸，仍處于傳統(tǒng)低速專用網絡向工業(yè)以太網的演進過程中。據分析數據統(tǒng)計，2016年全球工業(yè)以太網占據市場份額38%，年增長率達到20%。而傳統(tǒng)現(xiàn)場總線仍以58%的份額主導工業(yè)網絡信號的傳輸，但年增長率萎縮到7%。工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展趨勢，大大增加了對工業(yè)以太網傳輸的需求。未來工業(yè)級以太網傳輸是智慧工廠的神經網絡，是有效支撐工業(yè)4.0發(fā)展的基礎設施。
1.2 實施目標
當前國內正在進行建設的“智慧城市”如管道連廊智能化改造，其市場規(guī)模也相當驚人，據估計有17萬億元的建設規(guī)模。交通行業(yè)、電力航油、石油化工、冶金、煤炭、水處理等各種行業(yè)對工業(yè)級以太網傳輸設備都有著大量的需求。假設網絡設備占有上述市場的1%細分份額，總體也有上千億元的規(guī)模。
因此，針對工業(yè)互聯(lián)網和行業(yè)物聯(lián)網對于網絡傳輸系統(tǒng)的需求，在具有存在必要性和發(fā)展前瞻性的基礎之上，研究開發(fā)一套多業(yè)務工業(yè)物聯(lián)網絡光傳輸系統(tǒng)，將高速以太網和低速現(xiàn)場數據總線等有效融合，配以功能完善的網管和運維系統(tǒng)，并具有工業(yè)級的安全可靠性和優(yōu)越的實時性，可以滿足工業(yè)4.0和物聯(lián)網建設對基礎傳輸系統(tǒng)的要求，從而提高生產效率，大大促進生產力的提升和推動社會經濟發(fā)展進步。
1.3 適用范圍
針對工業(yè)以太網傳輸需求不斷提高，同時傳統(tǒng)總線仍占有一席之地的工業(yè)和行業(yè)物聯(lián)層傳輸環(huán)境下，提供適用于復雜信息傳輸環(huán)境的解決方案，面向市政、交通、電力、化工、冶金、煤炭、水利等各行業(yè)及各類工廠、工業(yè)園區(qū)等，以滿足如下應用場景：
1）傳統(tǒng)網絡傳輸設備對工作環(huán)境有較高的要求，如溫濕度、防靜電裝飾等，而工業(yè)環(huán)境下的網絡層設備存在接口單一，無法滿足以太網傳輸等缺點。因此，通過采用工業(yè)級元器件滿足寬溫工作范圍，采用專門的防雷、防靜電等芯片和良好的電磁兼容性設計，使網絡傳輸設備具備抗電磁干擾的能力。而光纖上的信號傳輸更是沒有電磁干擾現(xiàn)象、傳輸距離遠、傳輸帶寬大;
2）低速數據包括數據采集、傳感器檢測、狀態(tài)控制等數據，其信息量低，一般速率為幾kbit/s，甚至更低，但是對實時性和可靠性要求高。而以太網數據速率較高，當前絕大多數為百兆和千兆接口，傳輸各種視頻、音頻及其它數據，數據量大，統(tǒng)計復用，實時性和可靠性較差。因此，可以通過專門設計的時隙復用方式，兼顧低速數據和以太網數據的特點，保證兩種數據的有效傳輸。除此之外，通過FPGA芯片編程，可以把低速數據打包到以太網幀格式中，完成低速數據到以太網的轉換，實現(xiàn)數據的融合互通;
3）在工業(yè)環(huán)境或其他對可靠性要求高、組網復雜的情況下，為了防備設備或光纖故障導致業(yè)務中斷，本系統(tǒng)支持快速光纖自愈環(huán)網，自動切換時間可以達到30ms以下，同時可采用多樣的行業(yè)組網形式，如星型、鏈型、環(huán)型組網。
4） 通過WEB方式的管理界面，圖形化顯示網絡拓撲和設備狀態(tài);支持SNMPv2標準協(xié)議，易于第三方集成開發(fā)網管系統(tǒng)，確保未來的可擴展性。
本解決方案可滿足一個區(qū)域性工業(yè)園區(qū)的需求，也可接入到通信運營商網絡從而實現(xiàn)跨地域性的大型工業(yè)園區(qū)或廠區(qū)的應用需求。另外，對于高速公路、橋梁、隧道、城市交通、機場、以及管廊項目，其均可作為物聯(lián)層的光纖系統(tǒng)解決方案。
4.%2 在工業(yè)互聯(lián)網網絡體系架構中的位置
解決方案設備提供以太網接口及低速數據接口，連接智能機器；上聯(lián)光口可以和其它接入設備組成鏈形或環(huán)形網，通過光纖再與傳輸層設備的下聯(lián)端口連接，實現(xiàn)接入層設備與傳輸層設備的互通光口可上聯(lián)工廠控制系統(tǒng)、工廠云平臺等，如下圖中1所示。保證了接入層傳輸可靠性、實時性和可擴展性，節(jié)省了串口轉換服務器等設備，減少了設備投入成本，降低了單點故障率。
傳輸層借鑒電信級通信光網絡，形成光纖自愈環(huán)網，滿足區(qū)域性工業(yè)園區(qū)的內部網絡需求，也可接入到工廠外部網絡實現(xiàn)跨地域傳輸，如圖中7所示。當節(jié)點或光纖發(fā)生故障時能夠在30ms內完成倒換保護，避免了網絡信息傳輸中斷和丟失，保證設備持續(xù)使用性。
同時提供功能完善、方便易用的匯聚層網絡管理系統(tǒng)，對于包括光線拓撲、通斷、設備供電、溫度以及各種業(yè)務數據的狀態(tài)均可知，在進行可靠傳輸的同時，更可傳遞豐富和完善的物聯(lián)網信息，為未來物聯(lián)網應用平臺的數據展示、大數據分析和挖掘提供更加全面的數據信息。
圖5-1 工業(yè)互聯(lián)網互聯(lián)示意圖
2 需求分析
隨著工業(yè)現(xiàn)場設備的智能化以及控制方式由單點走向協(xié)同，并且工業(yè)控制由工廠應用發(fā)展到市政、安全、金融等更廣闊的物聯(lián)領域，現(xiàn)場設備之間需要進行實時、快速、可靠以及遠距離的通信，而大量采集、傳輸的數據更呈現(xiàn)多樣性趨勢(包括控制信號、檢測信號、視頻、音頻等)，傳輸數據的帶寬要求也逐漸由窄帶轉向寬帶，以上這些網絡需求對于用于工業(yè)網絡和智慧城市、綜合管廊、城市交通等行業(yè)網絡的傳輸設備提出了升級改造的要求，具體體現(xiàn)在:
1)接口(多業(yè)務，兼容多接口)
2)可靠(獨立、自愈)
3)安全(各種業(yè)務數據隔離)
4)服務(并非簡單的通道的傳輸服務，要能提供各種業(yè)務匯聚，包括網絡業(yè)務匯聚、低速率數據匯聚等)
5)聯(lián)動(設備自身異?；蛘咄獠扛嬷惓３霈F(xiàn)，除了上報中心，現(xiàn)場要提醒及聯(lián)動)
工業(yè)以太網傳輸設備需要滿足工業(yè)現(xiàn)場苛刻的環(huán)境要求，保證通信的實時性、可靠性、安全性，需要能夠達到較高的防塵、防水、抗干擾等級。當前普通商業(yè)級以太網設備應用相當普遍，價格便宜，產品成熟，但是不能適應工業(yè)級環(huán)境對設備的嚴格要求，設備的安全性和可靠性較低，不能用于工業(yè)生產環(huán)境中。此外，大部分廠家只是在原有商業(yè)級以太網交換和傳輸設備上做些結構和高低溫等方面的簡單改進，遠遠不能滿足工業(yè)信號采集和控制對實時性和可靠性的要求。并且，傳統(tǒng)現(xiàn)場總線技術仍然有其生命力，將長期與以太網技術共存，現(xiàn)有以太網設備對原有接口的接入能力缺失。
為解決以上問題，國內外廠商絕大多數都是簡單在商業(yè)級以太網設備的基礎上，通過采用工業(yè)級溫度范圍的元器件，提升設備工作溫度范圍;通過以太網生成樹協(xié)議進行設備和鏈路保護;采用網關、轉換器等方式轉接到以太網。這些設備仍然存在較大缺陷，如：(a)缺乏對工業(yè)環(huán)境中各種低速數據工業(yè)接口的有效支持，外置轉換器增加了設備故障點，大大增加了網絡復雜度，加大了網絡建設成本和維護成本;(b)帶寬不足，設備干線帶寬為百兆到千兆;(c)保護倒換時間過長;(d)沒有統(tǒng)一的運維和網管系統(tǒng);(e)實時性欠佳等。
當前從事工業(yè)以太網相關研究開發(fā)生產的企業(yè)主要分兩類，一是國外解決方案提供商，其依靠自有研發(fā)和生產實力，從協(xié)議標準等方面設置獨特性，自成系統(tǒng)，與其它廠家的兼容性較差;二是以國內中小型產品供應商，他們往往設備簡單，質量參差不齊，功能缺失，一般都沒有網管系統(tǒng)，更不提供多業(yè)務接口。
3 解決方案
3.1 方案介紹
本項目最終提供一種面向工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、大數據發(fā)展必備的多業(yè)務工業(yè)互聯(lián)網光傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)定位工業(yè)和行業(yè)物聯(lián)層，提供多樣性接口，包括總線、低速數據、以太網、模擬量、數字開關量、無線等滿足各種物聯(lián)網傳感器的數據接口。同時系統(tǒng)采用各種類數據時分復用、獨立通道的方式進行傳輸，不但滿足各類業(yè)務數據傳輸互不干擾性和獨立性，并且滿足了低時延、高傳輸效率以及傳輸可靠性的要求。
系統(tǒng)采用光纖為傳輸載體，最大限度的減少外部環(huán)境的干擾。利用電信級通信的光傳輸構架的先進性，結合工業(yè)制造的特點，有效的提升工業(yè)制造過程中對于通信系統(tǒng)的高規(guī)格需求。通過協(xié)議轉換算法，使得低速數據附載到光傳輸上，并保障數據無丟失與低時延，從而滿足工業(yè)企業(yè)和行業(yè)用戶對高速以太網和低速 數據傳輸的需求，并能結合通信運營商的傳輸網絡，作為其解決“最后一公里”的組網方式，大大節(jié)約了設備的投入成本，減少了交換環(huán)節(jié)，降低了可能的故障環(huán)節(jié)。系統(tǒng)將有效的促進工業(yè)4.0網絡的融合建設和工業(yè)互聯(lián)網業(yè)務的開展。
通過功能完善、方便易用的網絡管理系統(tǒng)，監(jiān)控光纖拓撲、通斷、設備供電、溫度以及各種業(yè)務數據的實時狀態(tài)。在保證可靠傳輸的同時，更提供豐富和完善的物聯(lián)網信息的傳遞，為應用平臺的數據展示、分析和挖掘提供更加全面的數據信息。
3.2 系統(tǒng)架構
系統(tǒng)整體架構分為接入層、中間傳輸層和匯聚層三個組網層次。
接入層解決最基本的數據采集問題，除了支持通用的一些行業(yè)設備協(xié)議外，計劃引入工信部及中國電信互聯(lián)網加應用基地最新制定的采集規(guī)范。接入層設備一般置于用戶遠端設備附近，負責直連遠端設備，如數據采集傳感器、可編程機床控制器、網絡攝像機等。每臺接入層設備可以提供1到4路低速數據業(yè)務，具體類型可以根據用戶實際需求而靈活配置，可選RS-485、RS-232、CAN-BUS等接口類型。同時接入層設備還提供4路100Mbit/s以太網接口，用于接入以太網設備。接入層設備提供2個上連光口，每個速率1.25Gbit/s，可以環(huán)形或鏈形組網。
傳輸層則負責把接入層上傳的數據進行中繼傳輸，可以實現(xiàn)遠距離、大容量傳輸和自愈環(huán)網的自動保護切換。中間傳輸層提供4個到8個下連1.25Gbit/s光口(兼容千兆以太網光口)或千兆以太網電口，用于連接接入層設備或用戶遠端的千兆網口設備。同時提供2個上行光口，速率可選2.5Gbit/s或10Gbit/s。
匯聚層處于網絡的核心，可以接收和匯聚各個接入設備的業(yè)務數據，并匯聚到千兆或萬兆接口，再連接服務器、計算機等用戶中心設備。匯聚層設備采用機架插卡結構設計，支持12個業(yè)務槽位，2個核心交換槽位，雙電源1+1備份。
業(yè)務卡有8路千兆電口卡、6路千兆光口卡。
3.3 網絡拓撲設計
接入層設備:連接用戶的遠端設備，如傳感器、機床控制器、生產線機器人、網絡視頻攝像機等設備，把用戶的低速數據和以太網數據進行時分復用后，轉換為光信號，通過光纖傳送給上層設備。反向完成光信號到電信號的轉換，時隙信息解析，把低速數據和以太網數據分別送給相應用戶設備。
中間傳輸層設備:下聯(lián)多個接入端設備，所以需要較大的網絡帶寬，可選2.5Gbit/s或10Gbit/s光纖帶寬，支持雙光口，可以進行環(huán)形組網，支持快速自愈環(huán)網保護倒換。
中心匯聚層設備:接收和匯聚通過多個中間傳輸層自愈環(huán)網上行的網絡數據和專用低速數據，并通過背板匯聚到核心交換板。核心交換板可以把所有數據匯聚為2個千兆電口或萬兆光口輸出。匯聚輸出口可以設置為1+1鏈路保護。系統(tǒng)組網結構如圖5-2所示。
圖5-2 系統(tǒng)組網結構
3.4 功能設計
3.4.1 硬件設備
1)接入層設備根據端口數量不同分為多款。其信號處理原理相同，不同之處在于提供給用戶的以太網接口和低速數據接口的數量。低速數據接口可以靈活配置為RS-232、RS-485、通用輸入輸出接口GPIO、開關量或CAN-BUS接口。接入設備提供兩個上聯(lián)光口，速率1.25Gbit/s，可以和其它接入設備組成鏈形或環(huán)形網，通過光纖再與中間傳輸層設備的下聯(lián)端口連接，實現(xiàn)接入層設備與傳輸層設備的互通。接入層設備功能框圖如下圖所示。
圖5-3 接入層設備功能框圖
2)傳輸層設備硬件分為2.5Gbit/s和10Gbit/s兩款，分別支持2.5Gbit/s光纖自愈環(huán)網ISR-2.5G和10Gbit/s光纖自愈環(huán)網ISR-10G。其中ISR-2.5G設備含有2個2.5Gbit/s光纖上聯(lián)接口、4個1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口和4個千兆電口;ISR-10G設備含有2個10Gbit/s光纖上聯(lián)接口、4個1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口和4個千兆電口。傳輸層設備的1.25Gbit/s光纖下聯(lián)接口兼容普通千兆以太網光口。
3)匯聚層設備支2個或4個萬兆光纖匯聚接口，能提供高達48個1.25Gbit/s光口(兼容千兆以太網光口)或電口的連接。所有接口統(tǒng)一進行線速交換。接入層設備上傳的低速數據在此設備進行解析，并轉換為低速數據接口輸出，或者封裝為TCP/IP數據，通過網絡進行傳輸到專門的服務器，再進行信號的處理。
匯聚層設備采用機架式結構，共有12個業(yè)務插槽，2個核心交換槽，雙電源1+1備份。業(yè)務插槽提供下聯(lián)光口或電口，與傳輸層設備光口或用戶千兆電口設備相連。核心交換板實現(xiàn)所有業(yè)務的匯聚和互聯(lián)互通，同時提供專用的網絡管理百兆以太網接口和控制臺接口。
3.4.2 軟件平臺
本項目的網絡管理系統(tǒng)，用于進行整個光纖網絡系統(tǒng)的配置、設備狀態(tài)監(jiān)控和網絡故障管理。
整個網管系統(tǒng)的軟件包括設備板卡級的板載控制和執(zhí)行軟件、設備核心交換控制卡上的控制管理軟件、服務器上的管理軟件和用戶客戶端軟件。
板載嵌入式軟件和核心交換控制板的軟件基于Linux開發(fā)。Linux系統(tǒng)具有實時性好、技術成熟穩(wěn)定的特點，可以滿足本項目對實時性和可靠性的要求。
本項目網管軟件可以提供基于WEB的管理界面，用戶通過瀏覽器登錄網管系統(tǒng)即可對整個網絡進行全面管理。同時網管系統(tǒng)還支持標準的SNMPv2協(xié)議，方便第三方軟件的集成和接入管理。
具體管理功能包括:
? 網絡拓撲的自動發(fā)現(xiàn)和管理機架及插卡的管理
? 設備配置管理
? 故障管理
對于故障信息，網管系統(tǒng)會生成相應的故障告警并上報給系統(tǒng)管理者，以便用戶及時采取維護措施。當網絡設備發(fā)生變化時，如新的板卡插入機架、新的遠端設備接入網絡或有新的用戶設備上線，網管系統(tǒng)也會生成相應的通知消息。
系統(tǒng)故障告警種類包括:
? 電源掉電告警
? 板卡過熱告警
? 板卡下線
? 網絡端口下線
? SFP光模塊移除
? 光口端口連接
? 遠端接入設備下線
? 遠端接入設備掉電
? 光網絡主環(huán)故障
? 光網絡主環(huán)斷開
? 光網絡次環(huán)故障
3.5 安全及可靠性
1）借鑒電信級通信光傳輸組網架構，提供更高效的多接口多業(yè)務傳輸通道。
組網結構采用自愈環(huán)網，當節(jié)點或光纖發(fā)生故障時能夠在30ms內完成倒換保護，基本避免信息傳輸中斷和丟失的可能性，保證設備持續(xù)可用。
系統(tǒng)支持以太網接口和低速數據接口同時接入，適用各種原有網絡布線情況，同時系統(tǒng)支持 1.25Gbit/s光口、2.5Gbit/s光口或10Gbit/s光口上傳。對于不同規(guī)模網絡可以靈活選擇采用全部或部分接入層、傳輸層和匯聚層的設備。
系統(tǒng)支持星型、鏈型、環(huán)型等拓撲，組網靈活，可用于工業(yè)現(xiàn)場、高速公路、城市管廊等環(huán)境中，統(tǒng)一傳輸低速檢測信號和大帶寬的視頻等網絡數據。
2）多接口光傳輸設備的使用降低了整個網絡單點故障發(fā)生的概率。
本系統(tǒng)中研制開發(fā)的多接口光傳輸設備直接在設備上提供低速數據接口，省去了串口轉換服務器等轉換設備，大大減少了傳輸網絡中接口轉換設備的數量，節(jié)約了設備的投入成本，同時也減少了可能的故障環(huán)節(jié)，降低了網絡的單點故障率。
3）采用時分復用方式進行數據傳輸，極大程度確保低時延和傳輸可靠性。
系統(tǒng)對于各類數據，采用時分復用、獨立通道的方式傳輸，一方面滿足各數據業(yè)務傳輸的獨立性，互不發(fā)生干擾，以確保業(yè)務中最重要的數據不會丟失;另一方面也滿足了低時延、高傳輸效率和高傳輸可靠性的要求。
其中具體實現(xiàn)技術有:
1）采用了高速可編程FPGA芯片和高速工業(yè)級交換芯片相結合的方式，F(xiàn)PGA處理工業(yè)控制用信息，工業(yè)級交換芯片處理以太網數據;
2）物理層通過FPGA對低速數據接口直接處理、打包封裝、時隙復用，不受以太網數據流量的影響，有效保證了低速數據的實時性、可靠性;
3）自主設計的低速數據業(yè)務復用協(xié)議，避免了把低速數據封裝為普通以太網數據導致的低效率和易丟失的風險。
聲明
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