工业光总线的技术优势和应用
1 工业光总线的技术优势
工业光总线具备传统光通信网络的优点,包括抗电磁干扰能力强、损耗低、支持长距离传送、带宽容量大等,针对当前工业现场网络的使用痛点,工业光总线具有确定性低时延、大带宽、高可靠、硬隔离、部署灵活、良好的兼容性、国产自主可控等优点,竞争力领先传统 OT 一个代际的工业光总线,可以为工业企业带来可观的应用价值。
1.1 高可靠
工业光总线将光连接引入工业现场总线,基于全光底座实现工业现场生产设备的总线互联,天然解决了工业生产中长期以来使用铜线传输电信号无法有效解决的电磁干扰问题的顽疾,使用光纤传输光信号无惧工业现场电磁干扰和共模干扰等不良影响,彻底消除了由于扰引起的误码、丢包等传输问题,大幅提升数据传输的可靠性,进而提升了工业生产质量。工业光总线支持 FCS、CRC、FEC 等光层差错检测和纠错技术,提高了生产连接的稳定性和安全性。工业光总线通过丰富冗余保护方案,可以在网络发生故障时,快速进行故障检测,按需触发链路级、设备级冗余保护倒换机制,切换时间短、迅速恢复业务,满足了工业企业生产现场对可靠性、可用性的失效要求,保障工业生产现场作业的连续性。抵抗失效能力强,具备网络自愈能力。
1.2 强实时
工业光总线采用P2MP的并行网络架构,控制器与所有分布式执行部件的通信都是一跳直达,不跨越其他任何部件,因此时延抖动不累计,E2E时延与网络节点数量不强相关,具有E2E的低时延特性。 工业光总线采用高密时隙技术(Dense-TDM),每秒 256K 个时隙,时隙最小可到 4µs。通信的时间同步机制采用帧抖动补偿算法优化,实现了±10ns 的同步误差精度,确保工业控制的确定性。同时采用时隙硬隔离技术,实时控制业务独享一个时隙通道,确保控制系统的可靠性。
1.3 大带宽
工业调研结果表明,1Gbps的带宽容量可以满足90%以上的工业生产需求,但是随着工业技术的发展,运动控制场景节点数量大幅增长,控制周期、采集频率不断提升;同时工业装备制造的高速高精度升级转型,各类制造场景逐渐引入机器视觉+AI 等综合业务承载元素,工业现场网络对大带宽的需求呈爆发态势,例如高清晰度视觉检测业务应用场景峰值带宽最高可达几个 Gbps 数量级。工业光总线支持上下行至少 1Gbit/s 的传输速率,在架构不变的情况下,还具备向 10Gbit/s、50Gbit/s、100Gbit/s 的带宽平滑演进能力。对于具有较低循环周期、海量终端设备,高速高精度制造装备升级转型,应用机器视觉实现各类生产终端的网络连接等大带宽需求的现场级应用场景,工业光总线方案可以根据应
用场景和业务发展,提供充足的总线带宽承载及多种业务硬隔离的能力,光总线的平滑演进特点支持便捷的上下行带宽扩展升级,未来现场设备的连线无需改变,仅替换工业光总线模组(如可插拔光模块)即可完成升级。
1.4 开放灵活
光头端设备可提供基于通用硬件架构和软件平台的计算能力,开放软件平台为第三方应用提供运行空间和所需的运行资源,并提供统一的 API 接口,屏蔽不同硬件的差异,保证第三方应用的跨硬件可用性。控制器的数据计算处理任务通过光头端硬件承载,不仅实现控制器和光头端硬件设备合二为一,节省了控制器硬件设备,简化网络,降低成本,而且可有效降低全系统的传输时延和循环周期。对于复杂工况场景,需要灵活接入各种传感器、摄像头,工业光终端可提供插卡式部署方案,只需终端设备适配,即可做到即插即用。工业光总线网络灵活开放,可扩展性强,在已部署的工业光总线中新增业务节点, 对正在运行的其他网络节点无影响,当产线升级或生产业务、流程变动时,工业光网可快速支持产线扩容和改造、支持柔性生产。工业光总线可提供快捷、易操作的部署方式和智能、准确的管理运维方法,保证快速部署并降低维护的难度。工业光总线配置灵活,不仅支持为每个从站配置不同的循环周期,实现多个终端不同节拍的生产需求;而且支持为同一个从站的多个指令不同的循环周期,实现单从站多指令承载需求。从站净荷区配置灵活,每从站净荷区可变长,数据结构可自定义,支持未来各种应用的演进扩展。
2 工业光总线的行业应用
工业光总线是专为高性能设备和高度复杂的应用而设计,其出色的性能满足了几乎所有行业用户对工业通信的各类需求。从高动态机床、复杂的包装系统,到物流中心、机器视觉、状态监测都依赖于可靠地将每个节点每个循环产生的几百字节的过程数据进行传输,而这要求循环时间小于等于 1 毫秒及高数据带宽。采用工业光总线,仅需一台主站控制,并同 时与其他自动化设备和驱动器进行协同。工业光总线可以满足日益增长的对集成大量设备的 扩展系统的更短循环周期的需求,即使是更大型的系统也可由一个中央主站进行同步和运行。
基于工业光总线在高可靠、强实时、大带宽、抗干扰等方面的优秀网络性能和指标,使其与诸如数控机床、半导体制造、智能机器人等离散制造高端运动控制场景尤为契合。
2.1 半导体行业高速高精度封测设备
半导体高速高精封测设备要求加工定位精度到微米/百纳米级,且加工效率不能降低;用户希望采用通用开放式架构,能自行开发核心算法,确保掌握关键技术与核心工艺。
基于通用计算架构+实时操作系统+工业光总线的高速高精设备系统架构图如图 2-1 所示。
图2-1 高速高精度封测设备控制系统架构图
工业光总线的用户价值:
l 设备控制周期从 1ms 优化到 125μs,同步信号 0 抖动,保持加工效率不变的情况下提升控制精度至百纳米级。
l 控制架构简化,多张控制卡+上位机协同简化成一套控制系统,研发难度降低,研发周期缩短,整体成本降低。
l 专用控制硬件+封闭算法转为通用计算平台+软件算法,从封闭系统转为开发架构,用户自行开发核心算法技术,达成研发的自主可控。
工业光总线的关键优势及对系统带来的价值:
l 工业光总线极低时延的特点,支持该装备多个从站的位置控制闭环集中到控制器,实现稳定的龙门控制。
l 多从站同步信号精度误差±10ns,同步信号 0 抖动,减小了多个从站协同和补偿算法的实现难度。
l 光纤抗干扰的天然特征及 FEC 等纠错技术不惧电磁干扰,系统联调更容易,减少了设备研发调测周期。工业光总线白皮书
2.2 激光加工行业激光高精度切割机床
多通道高精度激光加工振镜控制系统,振镜刷新频率 100KHz,使用专用下位驱控一体机+高速脉冲+同步的方案,整个系统分多级控制,协同复杂、线缆多、成本高;百兆现场总线带宽小,最多只能实现 2 个振镜的同时控制;用户希望采用通用强算力+高速总线的通用简化架构实现更多振镜的同时控制。
基于通用计算平台+实时操作系统+工业光总线的激光振镜控制系统架构图如图 2-2 所示。
图2-2 激光振镜控制系统架构图
工业光总线的用户价值:
l 控制架构简化,用通用计算平台+工业光总线替代昂贵的专用驱控一体机,线缆大幅减少。
l 实现多通道加工平台,多个振镜共用一个大功率激光器件,降低系统成本。
l 优于微米的加工精度,实现基于振镜和驱动多轴联动,无界切割工艺。
工业光总线的关键优势及对系统带来的价值:
l 工业光总线极低时延特性,支持该装备控制系统闭环周期从 1ms 缩小到 100μs 以下,提升系统加工精度。
l 工业光总线 1G 上大带宽,支持该类装备实现多个通道多个振镜及众多直线伺服驱动器的联动控制。
2.3 通信行业精密光器件耦合设备
通信行业使用海量的激光器件,生产制造硅基光电子技术的耦合封装相对难度较大,耦合定位精度需要达到 0.1 微米,同时对系统的稳定性有很高要求;传统耦合台使用脉冲式运动控制卡,脉冲线缆粗易受干扰造成系统不稳定。耦合设备同时有高清相机,通过网线交换机或视频采集卡汇聚后传给控制器,常常因视频数据突发造成视频数据堵塞。
基于 PC 架构+工业光总线的精密光器件耦合设备控制系统架构图如图 2-3 所示。
图2-3 精密光器件耦合设备控制系统架构图
工业光总线的用户价值:
l 提升了光器件制造过程中的耦合速度和效率,提升了系统抗干扰能力,极大降低系统出现异常的概率;
l 实现多摄像头采集图像的大带宽实时上传,解决了传统网线连接造成的数据拥堵;
l 控制距离能够“拉远”且“一拖多”,可用一台主机实现光器件耦合封装无人车间的统 一管理。
工业光总线的关键优势及对系统带来的价值:
l 光纤传输具有强抗电磁干扰能力,系统更加稳定;
l 光纤远距离控制功能,一台主机能够控制多个机台多个从站协同;
l 光总线兼顾“运动控制”和“高速图像采集”功能,系统简单线缆变少。
2.4 新能源行业锂电表面缺陷检测装备
基于通用计算+工业光总线的锂电表面缺陷检测装备控制系统架构图如图 2-4 所示。
图2-4 锂电表面缺陷检测装备控制系统架构图
工业光总线的用户价值:
l 实现了锂电池在传送运动过程中多个表面平滑的视觉协同拍照和 AI 外观质检,节省大量人力。
l 实现产线级边缘控制,一条产线可用一台边缘计算服务器实现所有运动部件的控制和协同,节省大量 PLC 单元。
l IT/OT 融合,支持视觉数据上云训练、产线数据大数据分析、设备预测性维护等高层应用落地。
工业光总线的关键优势及对系统带来的价值:
l 基于光网络的低延迟,高同步精度,总线多轴精密运动控制算法,以及和工业相机实时协同飞拍控制。
l 基于光网络的高带宽与高性能,视觉和控制数据用一根总线实现,更容易实现面向智能
l 制造产线的柔性自动化,开发基于光网络的全自主运动控制集成开发环境,支持运动控制软件组件的自动化配置、调试和实时诊断。
本文转自:《工业光总线白皮书》
新闻资讯
产品中心
联系我们
新闻资讯
关于我们
关注我们
一飞通讯官方微信