工程師說 | 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的演變和最佳實(shí)踐

工業(yè)4.0的概念涉及整合智能機(jī)器、系統(tǒng)、人員，并在制造過程中衍生出變化。其目的是提高工作效率和個(gè)性化生產(chǎn)，允許靈活地改變產(chǎn)品種類。除了技術(shù)上的提升，工業(yè)4.0通過定義人的職能來應(yīng)用新的工作方式。計(jì)算機(jī)化、連接和人工智能的整合，最大限度地提高工作場所的安全和效率。特別是，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施不同層級(jí)之間連接的關(guān)鍵。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過在現(xiàn)場設(shè)備之間信息交換，在工廠車間提供即時(shí)的數(shù)據(jù)訪問，其支持目標(biāo)如下：

• 多廠商系統(tǒng)和（或）設(shè)備之間的連接性和互操作性，以實(shí)現(xiàn)適配和方便擴(kuò)展。

• 傳輸中的數(shù)據(jù)的完整性和安全性，以及對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問，來保證工廠的可靠運(yùn)行。

• 傳輸中最小化可能的延遲或延時(shí)，以便及時(shí)分析和決策。

• 語音、數(shù)據(jù)和視頻圖像傳輸?shù)恼?，以提供信息的一致性?/p>

為了定義和規(guī)范設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接的操作，在20世紀(jì)80年代開發(fā)了開放互連系統(tǒng)（OSI）模型。OSI模型有七個(gè)層，每個(gè)層都有獨(dú)特的目的。如圖1所示，每一層都可以與上面和下面的層一起工作，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)之間的端到端通信。來自應(yīng)用（在最頂層或指定的應(yīng)用層）的信息通過七層的相互依賴和相互服務(wù)，通過一系列的物理網(wǎng)絡(luò)（通常定義為最底層）持續(xù)打包和分發(fā)。

圖1 OSI層

工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，因?yàn)樗沟脝蝹€(gè)控制單元能夠管理網(wǎng)絡(luò)上的許多I/O，而與技術(shù)無關(guān)。工廠的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)包括電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人和傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器（PLC）。如下圖表格所示，主要的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有工業(yè)以太網(wǎng)(EtherCat、Profinet、Ethernet/IP、CC-Link IE、Modbus-TCP、Powerlink、Sercos III、OPC-UA)和現(xiàn)場總線(Profibus、Modbus RTU/ASCII、DeviceNet、CANopen、ASI-5、IO-Link)。在工業(yè)自動(dòng)化中，對(duì)象由PLC、SCADA和DCS控制。現(xiàn)場儀表、智能現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控PC、分布式I/O控制器和人機(jī)界面HMI系統(tǒng)都可以使用。為了連接和通信，這些設(shè)備需要強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)策略。它們連接現(xiàn)場設(shè)備、控制器和PC，以便通過無線或電纜發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。同樣，傳感器網(wǎng)絡(luò)由一組小型供電設(shè)備和無線或有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成，即使在惡劣的工廠環(huán)境下也能記錄數(shù)據(jù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知和控制環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)M2M（機(jī)器對(duì)機(jī)器）、H2M（人對(duì)機(jī)器）的交互，反之亦然。

用于信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備的市場趨勢(shì)已經(jīng)從CAN或RS-485等串行連接轉(zhuǎn)向工業(yè)以太網(wǎng)。市場需求也已轉(zhuǎn)向更實(shí)時(shí)的操作，以連接其他層并作為中央管理來管理大數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)連接在工業(yè)領(lǐng)域的日益普及使得開發(fā)新方法來提高制造過程的效率和可靠性成為可能。在機(jī)器、機(jī)器人和其他工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)/運(yùn)營技術(shù)（OT）環(huán)境中，以太網(wǎng)已緩慢但穩(wěn)定地取代了其他通信協(xié)議。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)能夠提供更可靠、更安全的服務(wù)，因此其應(yīng)用也越來越廣泛。為了提高生產(chǎn)力、產(chǎn)量、正常運(yùn)行時(shí)間性能、產(chǎn)品質(zhì)量和整體盈利能力，所有技術(shù)運(yùn)營OT環(huán)境下的設(shè)備都在利用以太網(wǎng)功能等以新方式集成機(jī)器、機(jī)器人和其他關(guān)鍵自動(dòng)化設(shè)備。原始設(shè)備制造商（OEM）可以通過利用以太網(wǎng)端口、傳感器、設(shè)備和其他支持組件更好地滿足目標(biāo)客戶的需求，從而在競爭中脫穎而出。由于以太網(wǎng)可以以毫秒級(jí)的精度遠(yuǎn)距離傳輸指令，它最終可能使工廠幾乎完全無需人工干預(yù)即可運(yùn)行。以太網(wǎng)的速度和帶寬允許收集前所未有的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。工業(yè)以太網(wǎng)通過將機(jī)器制造商和用戶聚集在一起進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，促進(jìn)長期合作和成功。出于同樣的原因，新的機(jī)會(huì)正在涌現(xiàn)，以保持他們的商業(yè)參與。借助以太網(wǎng)，可以快速輕松地遠(yuǎn)程訪問診斷狀態(tài)數(shù)據(jù)。最終用戶可以快速訪問構(gòu)建該設(shè)備的全球團(tuán)隊(duì)中最好的機(jī)器診斷專家，而無需停機(jī)或緊急費(fèi)用。冗余和確定性是定義工業(yè)以太網(wǎng)時(shí)的重要因素，因?yàn)樗醋云髽I(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。簡而言之，工業(yè)以太網(wǎng)能夠更好的適應(yīng)工廠中的噪音、工廠工藝流程需求和更惡劣的環(huán)境，它甚至可以以優(yōu)化的可靠性和安全性更好地應(yīng)對(duì)工廠車間的數(shù)據(jù)沖突。

以太網(wǎng)的主要好處之一是，以太網(wǎng)協(xié)議可以一致性和可重復(fù)的方式管理高速工業(yè)流程，例如，裝配線上機(jī)器之間所需的交接決定，可以精確到毫秒甚至納秒級(jí)。在這里，工業(yè)以太網(wǎng)的確定性為未來的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，如時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)或TSN。圖2描述了其中的一些關(guān)鍵特征。

圖2 TSN功能

圖3 IT-OT融合的驅(qū)動(dòng)因素

在工廠層面，TSN類型（由IEEE 802.1定義）的確定性以太網(wǎng)框架提供了各種TSN協(xié)議功能的優(yōu)勢(shì)，如時(shí)間同步、幀搶占、入口監(jiān)管、時(shí)間感知重塑等。信息物理系統(tǒng)是工業(yè)4.0的核心。這些系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)空間表示。為此，來自工廠上層的運(yùn)營技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)必須融合。這可以使用基于TSN、AI/ML的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重新配置等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。然而，TSN協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重新配置仍處于發(fā)展階段，但它將成為共享工業(yè)應(yīng)用的未來。

無縫實(shí)時(shí)通信是所有工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）實(shí)施的核心前提條件。瑞薩電子為所有先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線協(xié)議提供一流的通信組件，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus、CC-Link等。所有這些芯片解決方案都有全面的軟件支持。例如，R-IN32M3是經(jīng)過認(rèn)證的多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)解決方案（PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT等。）是一種經(jīng)過認(rèn)證的硬件和軟件解決方案，可以加快產(chǎn)品開發(fā)并將其快速推向市場，圖4和圖5也是如此：

圖4 軟件層的方框圖

圖5 R-IN32M3模塊解決方案框圖

R-IN32M4-CL3是R-IN32M3的下一代產(chǎn)品，用于工業(yè)以太網(wǎng)（IE）通信，預(yù)示著對(duì)CC-Link IE時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的支持，這是下一代以太網(wǎng)TSN技術(shù)的通信標(biāo)準(zhǔn)。同樣，RZ/T2M、RZ/N2L，最新的MPU集成了符合時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的三端口千兆以太網(wǎng)交換機(jī)和一個(gè)EtherCAT從屬控制器，支持工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，包括EtherCAT、Profinet IRT/RT、EtherNet/IP和OPC UA。

此外，基于瑞薩RX72M（高性能32位微控制器）的網(wǎng)絡(luò)解決方案旨在減少RX72M用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)從屬設(shè)備時(shí)的開發(fā)時(shí)間，可用于機(jī)器人終端的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、小型可編程邏輯控制器（PLC）和遠(yuǎn)程I/O等。有關(guān)RX72M產(chǎn)品的更多信息，歡迎點(diǎn)擊文末閱讀原文訪問產(chǎn)品頁查看。

RX72M網(wǎng)絡(luò)解決方案包括一個(gè)基于RX72M的評(píng)估板以及用于操作系統(tǒng)、中間件和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的示例軟件，支持市場上大約70%的主要工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，這增強(qiáng)了我們?cè)诳蛻舢a(chǎn)品開發(fā)方面的競爭力。RX72M解決方案（包括合作伙伴MW）旨在解決廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，包括EtherCAT、OPC UA、PROFINET RT、EtherNet/IP、Modbus TCP等，為工業(yè)設(shè)計(jì)提供高靈活性和多種網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)。

圖7 RX72M工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案

RX72M網(wǎng)絡(luò)解決方案介紹頁請(qǐng)識(shí)別下方二維碼查看：

瑞薩提供一系列MCP/MPU設(shè)備，支持單協(xié)議和多協(xié)議通信選項(xiàng)，以及各種工廠自動(dòng)化使用示例?；趩螀f(xié)議的設(shè)備為客戶提供了緊湊的尺寸和低廉的成本，而基于多協(xié)議的設(shè)備提供了獨(dú)特的環(huán)境。瑞薩電子工業(yè)以太網(wǎng)MCU和MPU設(shè)備提供冗余性，并支持定制產(chǎn)品的開發(fā)。瑞薩工業(yè)以太網(wǎng)支持的MCU/MPU設(shè)備使得利用任何層通信成為可能。我們的一些多協(xié)議設(shè)備可以同時(shí)運(yùn)行兩種工業(yè)協(xié)議。因此，客戶可以開發(fā)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議之間的網(wǎng)關(guān)，使瑞薩電子成為開發(fā)強(qiáng)大的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案的理想選擇。

瑞薩工廠自動(dòng)化

瑞薩工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

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瑞薩電子 (TSE: 6723)

科技讓生活更輕松，致力于打造更安全、更智能、可持續(xù)發(fā)展的未來。作為全球微控制器供應(yīng)商，瑞薩電子融合了在嵌入式處理、模擬、電源及連接方面的專業(yè)知識(shí)，提供完整的半導(dǎo)體解決方案。成功產(chǎn)品組合加速汽車、工業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上市，賦能數(shù)十億聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備改善人們的工作和生活方式。更多信息，敬請(qǐng)?jiān)L問renesas.com