工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì) 以太網(wǎng)在面向工業(yè)應(yīng)用中的進(jìn)化

摘要

工業(yè)以太網(wǎng)是什么意思？工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗軌蛑С指鞣N聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而實(shí)施確定性實(shí)時(shí)通信控制。

“工業(yè)以太網(wǎng)”（IE）是指以太網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境中的使用，特別是采用預(yù)定性和實(shí)時(shí)控制機(jī)制的環(huán)境。

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

圖1 工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，通常稱為TSN，是構(gòu)成工業(yè)4.0信息物理系統(tǒng)核心的關(guān)鍵實(shí)體之一，工業(yè)4.0由更具確定性的工業(yè)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)（參見(jiàn)圖2）。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)和來(lái)自更高制造水平的信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)需要合并，這些系統(tǒng)必須在網(wǎng)絡(luò)空間中有某種展示才能正常運(yùn)行。然而，當(dāng)代的絕大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都要求使用專有的硬件和協(xié)議，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）相關(guān)的針對(duì)性產(chǎn)品/解決方案。

圖2 什么是TSN

IEEE 802.1 TSN任務(wù)組已經(jīng)整合了IEEE標(biāo)準(zhǔn)（參見(jiàn)圖三），以支持實(shí)時(shí)可預(yù)測(cè)行為和TSN技術(shù)的縱向和橫向可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)高速、大容量通信，無(wú)需軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和外部部件即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 TSN組件和IEEE標(biāo)準(zhǔn)

OPC基金會(huì)創(chuàng)建的開(kāi)放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）用于工業(yè)自動(dòng)化M2M通信。該架構(gòu)適用于所有工業(yè)領(lǐng)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(guò)程的指揮和控制。并且是一種分層、適應(yīng)性強(qiáng)、可信和開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

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

圖4 OPC-UA廣義的架構(gòu)

EtherCAT

EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，由EtherCAT技術(shù)組維護(hù)。該協(xié)議被以及同時(shí)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制的設(shè)備、EtherCAT具有高性能、低成本和靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已成為業(yè)界領(lǐng)先的協(xié)議之一。瑞薩擴(kuò)展了設(shè)備控制和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(shè)備控制和網(wǎng)絡(luò)功能集成在單個(gè)芯片上的工業(yè)自動(dòng)化（參見(jiàn)圖5）。

為了滿足工業(yè)自動(dòng)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(dá)4 MB閃存和1 MB RAM，具有以太網(wǎng)、USB、CAN、SPI、I2C等多種外設(shè)和接口。這款適應(yīng)性強(qiáng)的微控制器已成為許多工業(yè)應(yīng)用的首選。

圖5 RX72M、RX72N和RX66N的多項(xiàng)關(guān)鍵特性

PROFINET

PROFINET標(biāo)準(zhǔn)是一種開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，用于自動(dòng)化環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸，促進(jìn)控制器和設(shè)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(bào)警和其他形式的數(shù)據(jù)交換。瑞薩電子的TPS-1是一種支持PROFINET（IRT）的PROFINET IO設(shè)備芯片解決方案，可簡(jiǎn)化實(shí)施過(guò)程，為設(shè)備制造商提供快速、簡(jiǎn)單且節(jié)省成本的PROFINET IO設(shè)備接口集成。

PROFINET是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中常用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，支持PROFIBUS DP（分散外設(shè)）和PROFIBUS DP-V1（版本1）協(xié)議，這兩種協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，用于PLC和其他設(shè)備之間的通信。PROFIBUS和PROFINET技術(shù)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(xiàn)場(chǎng)總線。因此，RX72M MCU是工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的通用選擇。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是一種協(xié)議，允許連接以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行交互。它是由開(kāi)放設(shè)備網(wǎng)供應(yīng)商協(xié)會(huì)（ODVA）創(chuàng)建的三個(gè)基于以太網(wǎng)的工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議之一，另外兩個(gè)是PROFINET和EtherCAT。以太網(wǎng)/IP提供循環(huán)和非循環(huán)通信，可以通過(guò)TCP/IP和UDP/IP進(jìn)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(dòng)化設(shè)備等工業(yè)設(shè)備可以使用以太網(wǎng)/IP進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和控制，它使用以太網(wǎng)和IP提供可擴(kuò)展的高速通信。

Ethernet MAC

Ethernet MAC（Ethernet Media Access Control）是設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）的唯一標(biāo)識(shí)，用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(gè)全面的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)來(lái)提供一系列軟件和硬件構(gòu)建模塊，這些模塊將與瑞薩MCU一起開(kāi)箱即用。這一生態(tài)系統(tǒng)將有助于加快物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，包括核心技術(shù)。

正如已經(jīng)強(qiáng)調(diào)的那樣，今天的工廠車間需要一個(gè)通用、強(qiáng)悍的確定性和非確定性以太網(wǎng)框架來(lái)實(shí)現(xiàn)最高程度的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接。作為該領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，瑞薩解決方案涵蓋了廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)要求，以其性能、可靠性和易用性而聞名。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化和其他應(yīng)用，這些系統(tǒng)專為高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲和低功耗而設(shè)計(jì)。為了加速采用，瑞薩提供了各種開(kāi)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(wǎng)解決方案。