工業(yè)以太網的發(fā)展趨勢 以太網在面向工業(yè)應用中的進化

摘要

工業(yè)以太網是什么意思？工業(yè)以太網發(fā)揮著至關重要的作用，因為它能夠支持各種聯(lián)網協(xié)議，從而實施確定性實時通信控制。

“工業(yè)以太網”（IE）是指以太網在工業(yè)環(huán)境中的使用，特別是采用預定性和實時控制機制的環(huán)境。

當涉及到為工廠自動化提供通信解決方案時，硬件、軟件和服務是最重要的元素，工業(yè)以太網廣泛應用于各行各業(yè)，包括石油和天然氣、航空航天和國防、能源和電力、電氣和電子、汽車和運輸、化工等行業(yè)。在工業(yè)以太網中，TSN、OPC-UA、EtherCAT、Profinet、ethernet/IP、CC-link IE和Modbus等協(xié)議被廣泛應用于各種目標應用中。（圖1）

圖1 工業(yè)以太網架構

時間敏感網絡，通常稱為TSN，是構成工業(yè)4.0信息物理系統(tǒng)核心的關鍵實體之一，工業(yè)4.0由更具確定性的工業(yè)以太網驅動（參見圖2）。為了實現這一目標，運營技術（OT）網絡和來自更高制造水平的信息技術（IT）網絡需要合并，這些系統(tǒng)必須在網絡空間中有某種展示才能正常運行。然而，當代的絕大多數工業(yè)以太網標準都要求使用專有的硬件和協(xié)議，這導致網絡的融合變得非常困難。為了滿足這些變化和要求，瑞薩提供了與時間敏感網絡（TSN）相關的針對性產品/解決方案。

圖2 什么是TSN

IEEE 802.1 TSN任務組已經整合了IEEE標準（參見圖三），以支持實時可預測行為和TSN技術的縱向和橫向可擴展性。

Renesas R-IN32M4-CL3 SoC是最早支持CC-Link IE TSN B類控制器之一，而R-IN32M2 SoC系列和RX72M MCU也有支持CC-Link IE TSN a類的解決方案。這些解決方案可實現高速、大容量通信，無需軟件實時操作系統(tǒng)和外部部件即可實現。

圖3 TSN組件和IEEE標準

OPC基金會創(chuàng)建的開放平臺通信統(tǒng)一架構（OPC UA）用于工業(yè)自動化M2M通信。該架構適用于所有工業(yè)領域的組件，包括工業(yè)傳感器和執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、這些系統(tǒng)用于工業(yè)過程的指揮和控制。并且是一種分層、適應性強、可信和開放的標準協(xié)議。

OPC UA系統(tǒng)架構將客戶端和服務器建模為交互伙伴，并且每個系統(tǒng)可能包含多個客戶端和服務器。下圖四展示了包含組合服務器和客戶端的體系結構。

圖4 OPC-UA廣義的架構

EtherCAT

EtherCAT是一種基于以太網的現場總線系統(tǒng)，由EtherCAT技術組維護。該協(xié)議被以及同時進行高速數據采集和實時控制的設備、EtherCAT具有高性能、低成本和靈活的拓撲結構，已成為業(yè)界領先的協(xié)議之一。瑞薩擴展了設備控制和網絡產品組合，采用瑞薩專有的核心新RXv3第三代CPU和32位RX72M、RX72N和RX66N MCUs，用于將設備控制和網絡功能集成在單個芯片上的工業(yè)自動化（參見圖5）。

為了滿足工業(yè)自動化的需求，瑞薩推出了一系列適用于EtherCAT連接的微控制器。其中，RX72M配有240 MHz處理器、高達4 MB閃存和1 MB RAM，具有以太網、USB、CAN、SPI、I2C等多種外設和接口。這款適應性強的微控制器已成為許多工業(yè)應用的首選。

圖5 RX72M、RX72N和RX66N的多項關鍵特性

PROFINET

PROFINET標準是一種開放、標準化的工業(yè)以太網協(xié)議，用于自動化環(huán)境中的數據傳輸，促進控制器和設備之間的通信。PROFINET的循環(huán)和非循環(huán)協(xié)議定義了診斷、功能安全、報警和其他形式的數據交換。瑞薩電子的TPS-1是一種支持PROFINET（IRT）的PROFINET IO設備芯片解決方案，可簡化實施過程，為設備制造商提供快速、簡單且節(jié)省成本的PROFINET IO設備接口集成。

PROFINET是工業(yè)自動化應用中常用的現場總線協(xié)議，支持PROFIBUS DP（分散外設）和PROFIBUS DP-V1（版本1）協(xié)議，這兩種協(xié)議廣泛應用于工業(yè)自動化應用中，用于PLC和其他設備之間的通信。PROFIBUS和PROFINET技術的全球傘式組織PROFIBUS & PROFINET INTERNATIONAL（PI）在其建議的MCU/MPU/LSI中列出了RX72M MCU以支持現場總線。因此，RX72M MCU是工業(yè)自動化應用的通用選擇。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是一種協(xié)議，允許連接以太網的工業(yè)自動化設備進行交互。它是由開放設備網供應商協(xié)會（ODVA）創(chuàng)建的三個基于以太網的工業(yè)自動化協(xié)議之一，另外兩個是PROFINET和EtherCAT。以太網/IP提供循環(huán)和非循環(huán)通信，可以通過TCP/IP和UDP/IP進行通信。這使得它成為一種通用的協(xié)議，可以在工業(yè)中的小型控制系統(tǒng)到大型分布式系統(tǒng)中使用。PLC、HMI、傳感器和其他自動化設備等工業(yè)設備可以使用以太網/IP進行實時通信和控制，它使用以太網和IP提供可擴展的高速通信。

Ethernet MAC

Ethernet MAC（Ethernet Media Access Control）是設備網絡接口控制器（NIC）的唯一標識，用于實現以太網網絡通信。基于FreeRTOS的靈活軟件包（FSP）支持可以采用其他RTOS和中間件。

此外，瑞薩支持一個全面的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)來提供一系列軟件和硬件構建模塊，這些模塊將與瑞薩MCU一起開箱即用。這一生態(tài)系統(tǒng)將有助于加快物聯(lián)網應用的開發(fā)，包括核心技術。

正如已經強調的那樣，今天的工廠車間需要一個通用、強悍的確定性和非確定性以太網框架來實現最高程度的工業(yè)網絡連接。作為該領域的市場領導者，瑞薩解決方案涵蓋了廣泛的工業(yè)以太網要求，以其性能、可靠性和易用性而聞名。對于工業(yè)自動化和其他應用，這些系統(tǒng)專為高速數據傳輸、低延遲和低功耗而設計。為了加速采用，瑞薩提供了各種開發(fā)和解決方案套件，幫助工程師快速創(chuàng)建增值工業(yè)以太網解決方案。