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AUTBUS高速工業現場總線

印寧華|Indining China|

2022-11-26 16:53:16 707

當前流程工業現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，這些廣泛應用于流程工業現場的總線通信技術起源于上個世紀九十年代，反映了當時的數據通信的技術水平。而由于流程工業的自身原因，工業現場總線發展緩慢，以今天眼光看來已經非常落后的技術仍然牢牢地占據了工業現場通信的主流地位。

這些技術都沒能解決現場儀表信號高效大容量傳輸的問題。智能工廠和工業4.0要求的現場數據越來越多，目前工業現場總線技術已不能滿足要求。將高速現場總線應用于工業現場成為目前技術發展的迫切要求。

一種新型高速工業現場總線 AUTBUS應運而生，做出了將高速現場總線應用于工業現場的嘗試。東土科技作為單對以太網（SPE）系統聯盟，AUTBUS寬帶實時總線技術在國際工業聯接巨頭用戶解決方案上得以成功應用。

日前，由東土科技主導制定的又一*標準《基于時間敏感技術的寬帶工業總線AUTBUS系統架構與通信規范》正式發布。這是繼AUTBUS被接受為IEC國際標準后的又一重要里程碑，也標志著該技術在國內大規模應用的時機已經成熟。

與5G標準同行中國AUTBUS全IP工業網絡國際標準引領全球工業互聯網

AUTBUS作為一種高速的時間敏感網絡總線，能用于過程控制、離散控制等工業現場的實時數據和非實時數據的傳輸與應用，也能承載ISO/IEC/IEEE 8802-3以太網業務及IPv6等應用業務的數據傳輸，具有高帶寬、高實時、遠距離、布線和安裝簡單等優勢。AUTBUS標準突破了新的物理層技術，實現了工業控制領域最后一公里，在不改變傳統線纜習慣情況下可實現寬帶接入。AUTBUS可在工業互聯網底層讓各個工業通信的節點內實現高帶寬實時互聯互通，是工業控制通信技術的新突破；AUTBUS與5G、TSN等技術的結合，將加速推動人工智能在工業現場的應用，促進全球工業互聯網飛躍式發展。

2020年，由東土科技參股成立的北京神經元網絡公司研發出基于AUTBUS標準的總線芯片，該芯片完全自主可控，并在國內石油天然氣、工業機器人等行業領域得到驗證和應用。作為工業互聯網*標準與國際標準的先行者和制定者，東土科技自主研發的AUTBUS標準技術實現了我國在工業控制通信網絡領域*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實現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，具有多節點、高帶寬、高實時、可遠距離傳輸的工業現場總線。總線數據帶寬達到100Mbps，最大傳輸距離500米，最小循環周期8微秒，最大節點數256個。

AUTBUS用于過程控制和離散控制等自動化控制工業現場的實時數據和非實時數據的傳輸與應用，兼容ISO/IEC/IEEE 802.3以太網、IPv6等應用。

AUTBUS網絡架構基本參考模型如圖1所示。一個AUTBUS總線系統可支持254個有效節點，其中一個為控制節點、其他為終端用戶節點。控制節點負責管理、分配、回收各系統資源，并實時給所有節點推送系統配置、分配通信帶寬等。

AUTBUS使用總線式組網，通過系統預配置或動態申請的方式，提供固定帶寬數據服務和支持突發數據的可變帶寬數據服務；針對周期性采樣數據，突發性的控制、告警以及ISO/IEC/IEEE 8802-3以太網格式的IPv4/IPv6數據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，基于時間觸發提供對時間敏感性和非時間敏感性業務提供確定性的數據傳輸服務。

AUTBUS協議棧架構如圖2所示，包括物理層、數據鏈路層和應用層三部分。

物理層是基于OFDM技術實現了在兩線上創建基于共享介質的現場總線；完成物理信號的轉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，以承載數據鏈路層的數據。物理層向數據鏈路層提供了時鐘管理服務、數據傳輸服務和物理層管理服務三大類接口。

數據鏈路層（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。數據鏈路層向應用層提供數據鏈路服務、數據鏈路管理服務和時鐘同步服務三種服務接口。

應用層（AL）包括基于實時應用和非實時應用的數據服務模塊與系統管理服務模塊、時間服務模塊、基于IPv4/IPv6的TCP/UDP模塊。數據服務模塊提供用戶完成實時和非實時相關業務的處理，區分實時和非實時業務數據緩沖區；系統管理服務模塊實現對AUTBUS系統拓撲、狀態的管理與維護；時間服務模塊提供時鐘同步、時鐘查詢等服務。

AUTBUS將在工業控制、汽車電子、航空、智能城市等領域有廣泛的應用。

基于AUTBUS總線的儀表安全監測系統

工業控制系統例如石油氣管道站場和大型石化工廠現場需要采集大量現場參數，通過對這些采集數據的分析控制相關的儀器儀表和制動設備，這種自動化過程控制要求數據采集的準確性，現場控制的實時性，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測需要高精度、高實時監控的領域所研制開發的總線系統設備，AUTBUS是該DEMO所擁有的核心技術。AUTBUS在這臺設備里主要解決工業現場智能化儀器儀表、控制器及執行機構等設備間的數字通信、現場控制設備和*控制系統之間的信息傳遞問題。此Demo充分展現了AUTBUS的突出優勢：高實時確定性傳輸，具備多點通信能力，可支持高達254個無源節點，支持線型、環型總線，并支持雙環型冗余，具備100Mbps@500m的傳輸性能優勢。

基于AUTBUS開發的智能化決策模塊、移動感知模塊、智能定位模塊、地圖構架、快速導航等模塊，實現邊緣計算智能化、敏捷化的運動控制系統，將在智能電網、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、無人汽車、機器人、智能交通、船舶等行業發揮新一代工業控制體系應有的作用。

AUTBUS技術實現了在現場總線領域*引入寬帶解決方案，進一步完善并推動了國際工業通信現場總線體系發展。該國際標準的成功立項，說明我國工業物聯網底層協議架構獲得國際認可，標志著中國在工業物聯網應用方面可提供從芯片到系統的標準化解決方案，為實現以高標準助力高技術創新、引領高質量發展提供技術支撐。

應用實例
高速寬帶實時總線物聯網化交通路口

一種基于高速寬帶實時總線技術的物聯網+信號燈首現海口。海口美蘭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，用一根線纜實現了對所有信號燈的供電和聯網。

這項黑科技顛覆了傳統信號一燈一線的技術方案，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，輕松實現路口設施的擴展。

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帶寬數據至500米的距離，不僅可以實現燈具的總線式接入，還可以對路口的各種檢測設備包括視頻和傳感器進行接入，確保用最少的布線實現路口設備IP化互聯與管理。同時，AUTBUS總線還可以支持環網冗余與雙總線冗余的方式，確保現場網絡可靠性達到工業級的標準。在無法對現有燈具進行改造的情況下，也可以提供AUTBUS接口盒子，將傳統燈具和檢測設備用傳統電纜接入盒子后進行兩線制轉換。通過接口盒子的轉接能力可以大大加強方案對于傳統終端設備的支持，增加系統的兼容性。

基于AUTBUS技術在交通行業的應用，還有完整的GAEA高可靠通訊產品系列，包括AUTBUS通訊核心板，支持AUTBUS總線的服務器DDU模塊，GAEA-D總線型燈具，GAEA-B多功能控制接口盒子與GAEA-G通訊網關。

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

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