电力通信、以太网与物联网的介绍

2022-03-31 10:54:26 admin 1

        物联网(IOT)一词通常与商业、工业和政府环境中“智能对象”之间的嵌入式机器对机器(M2M)网络通信联系在一起。

        物联网能够提供对连接对象的实时可视性和控制,注定会给我们的生活带来无与伦比的透明度和效率。工业是物联网的一个重要应用领域。基于物联网的智能产业模式是当前产业发展的新高潮。因此,工业物联网网络不断发展和完善。

        目前,虽然专有通信协议在工业物联网应用的网络通信中长期占据主导地位,但物联网网络不断增长的网络容量和高带宽需求,使以太网成为替代传统通信协议的阻力最小的升级方式。以太网和TCP/IP通信技术在IT行业取得了巨大成功,成为IT行业应用中首选的网络通信技术。

        近年来,由于国际现场总线技术标准化尚未取得预期效果,以太网和TCP/IP技术逐渐应用于工业自动化领域,并发展成为一种技术趋势。

        工业级以太网在工业自动化中的应用应分为两个方面或两个层次。首先,工厂自动化技术与it技术、互联网技术的结合已经成为未来制造业电子商务技术和网络制造技术的可能原型。大多数专家对自动化技术的这一发展趋势给予了积极评价。

        另一方面,以太网能否广泛应用于工业过程控制的底层,即设备层或现场层?它能否成为甚至取代现有的现场总线技术,成为统一的工业物联网网络标准?这些问题实际上是自动化行业专家争论的焦点。

        为了完全满足这些要求,下一代以太网技术必须不断发展,并为以下三个关键功能提供本机支持:

        1) 可靠性和确定性性能

        2) 精确定时和同步

        3) 安全我们将重点关注这些功能的重要性,以及它们将如何帮助以太网应对工业物联网网络未来将面临的一些主要挑战。

        风险游戏:工业物联网需要可靠性和确定性性能。在工业物联网中,自主的、点对点的分布式控制远远高于任何消费型物联网。数据采集、记录和分析持续实时进行。使用一个比人类更快地处理任务的系统,在没有人为干预的情况下可靠、安全地运行是非常重要的。

        例如,仓库中的物料搬运设备可以感应沿着传送带移动的包裹。它通过RFID标签或条形码识别物料,并根据信息将物料引导至下一条输送带。通信故障可能会增加成本或威胁人员安全。

        现在想象一个监控核电站结构健康的网络。错误检测和可靠性需要付出更高的代价,因为在这种环境下,通信故障可能会带来灾难性的后果,包括变电站倒塌、环境污染和死亡。

        在这些环境中,工业物联网网络具有严格的性能和可靠性要求,包括:

        (1) 容错(2)安全(3)低延迟(4)普遍覆盖低功耗随着物联网加速向以太网过渡,他们可以使用Metro Ethernet Forum(MEF)定义的标准化和运营商级服务定义来确定“运营商级以太网”。这些标准尤其重要,因为物联网网络无法承受网络性能、稳定性或服务可靠性方面的损失。我们将看到,随着越来越多的物联网网络采用以太网,它们将寻求部署具有成本效益的运营商级设备,以满足这些实时和高性能的网络服务。

        定时和同步对于工业物联网非常重要。Ieee1588v2精密时间协议(1588或PTP)将在包括有线物联网在内的各种下一代网络中发挥重要作用。1588起源于工业自动化领域,它可以非常准确地传递时间,并且可以为实时应用程序提供准确的时间(TOD)信息、时间戳输入、调度和同步输出。


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        这种能力将最小化传统控制网络的性能限制,如“响应时间抖动”,它支持完全不同和分散的智能对象之间的实时通信和交互,包括自动交通管理系统和自动驾驶车辆到智能电网管理。以自动交通管理为例。1588可以为与公路和铁路互联的交通管理系统提供可视性和动态控制,允许运营商根据客流灵活调整时间表。

        同样,在自动驾驶仪领域,1588可以提供实时交通和拥堵数据,并与自动驾驶车辆进行通信,以实现交通流的顺畅。

        在整个智能电网中,公用事业公司可以使用1588来管理分散的能源,如风力发电机或光伏系统。具有1588功能的智能电网还允许公用事业公司访问实时负荷数据,并通过快速控制商业、工业和住宅环境中的现有电力限制系统,帮助它们稳定电网,以应对突然的需求高峰。

        展望未来,我们预计将更广泛地采用支持1588时序的芯片解决方案,以满足这些严格的精度要求,以及物联网环境的特定需求,例如更小的尺寸和低功耗,并支持扩展的温度范围。

        安全对于工业物联网网络至关重要,人们对信息安全以及保护企业和工业基础设施免受网络攻击的意识正在增强。由于以前封闭的物联网网络和智能设备现在已经与外部世界连接,因此必须制定可靠的安全策略。虽然有很多网络和数据安全模型,但我们在这个领域关注的焦点仍然是加密功能,因为它是确保网络安全连接的最有效手段之一。

        如今,一种常用的基于网络的安全协议是IPSec。IPSec在internet协议层次结构的第3层(L3)中运行。它可以在路由网络中很好地工作。然而,由于它通常需要嵌入式或专用的独立加密引擎,实现成本非常高。在互联网协议层次结构的第2层(L2)工作的另一个替代方案是IEEE802 1ae“macsec”安全标准,它与通用的“keysec”认证密钥协议l802 1ae相同。

        尽管它在今天还没有得到广泛的应用,但它提供了一种更简单、更高效和可扩展的选择,因为它可以在L2层轻松且经济高效地实现。与其他基于以太网的网络一样,保护多个接入点的强大加密功能对物联网至关重要。由于任何具有IP地址的设备在理论上都是脆弱的,连接的“东西”越多,黑客可用的访问点就越多。

        随着物联网和我们互联世界的进一步扩大,从工厂网络到单个家用电器的任何东西都将被包括在预计750亿个物联网连接中,这使得可扩展且经济高效的安全技术变得更加关键。幸运的是,美国国家标准与技术研究所(NIST)创造了一套最佳实践,已成为保护系统免受网络攻击的事实标准。

        我们希望通过遵循这些原则,例如NIST的fips197中描述的AES加密,它将成为基于以太网的物联网网络的基本最低要求。此外,考虑到物联网的同步要求,我们可以进一步预期,“安全1588”系列技术——即加密方法不会影响网络同步——将对这些网络的长期成功非常重要。工业以太网的优势在于,与现有的通信协议相比,以太网在工业领域具有独特的优势。

        (1) 以太网是一个完全开放的数字网络。根据网络协议,不同制造商的设备可以轻松互联。

        (2) 以太网可以实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接,形成一个完全开放的企业级管控网络

        (3) 软件和硬件的成本很低。由于以太网技术非常成熟,支持以太网的软硬件受到制造商的高度重视和广泛支持。有各种各样的软件开发环境和硬件设备供用户选择。

        (4) 通信速率很高。随着企业信息系统规模和复杂性的扩大,对信息的需求也在不断增加,有时甚至需要传输音频和视频数据。目前,通信速率为10米和100米的快速以太网已经得到广泛应用,千兆以太网技术也逐渐成熟。10G以太网也在研究中,其速度比当前的现场总线快得多。

        (5) 在这个信息瞬息万变的时代,可持续发展潜力巨大。企业的生存和发展在很大程度上取决于一个快速有效的通信管理网络。信息技术和通信技术的发展将更加迅速和成熟,这保证了以太网技术的不断发展。

        随着技术的成熟、交换技术的应用和高速以太网的发展,工业以太网在工业自动化领域的发展前景越来越广阔。几乎所有的现场总线系统最终都可以连接到以太网。随着嵌入式I/O协议的发展,以太网控制器和IP/O控制器的实时操作越来越容易实现。工业以太网已成为控制系统网络的主要发展方向,具有巨大的发展潜力。

        从嵌入式系统到现场总线控制系统,过程控制行业和自动化行业已经认识到以太网和TCP/IP的重要性。以太网和TCP/IP作为世界上应用最广泛的网络协议,将成为过程级和控制级的主要传输技术。带有TCP/IP协议的标准以太网接口现在用于智能设备和I/O模块。无需任何特殊设备即可直接无缝连接到工厂信息管理系统。

        因此,可以说,在工业通信网络中使用工业以太网,将构建一个从底层现场设备到先进优化的控制层和企业管理决策层的综合自动化网络平台,从而消除企业内部的各种自动化孤岛。

        以太网是21世纪工业网络的首选。它将成为控制和现场设备级别的标准高速工业网络。具有广阔的应用和发展前景。将工业以太网技术直接应用于工业现场设备之间的通信已成为大势所趋。结论随着互联网技术和工业需求的快速提高,以太网必将进一步融入工业领域,推动工业物联网的不断完善和发展。

        然而,这也是一条任重道远、充满机遇和挑战的道路。无论如何,我们都会看到,在以太网络演变为工业物联网基础的过程中,只要我们把握确定性、同步性和安全性这三个要求,我们将在不久的将来看到一场“工业革命风暴”。

        

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