工程师说 | 工业网络的演变和最佳实践

工业4.0的概念涉及整合智能机器、系统、人员，并在制造过程中衍生出变化。其目的是提高工作效率和个性化生产，允许灵活地改变产品种类。除了技术上的提升，工业4.0通过定义人的职能来应用新的工作方式。计算机化、连接和人工智能的整合，最大限度地提高工作场所的安全和效率。特别是，工业网络是工业基础设施不同层级之间连接的关键。工业网络通过在现场设备之间信息交换，在工厂车间提供即时的数据访问，其支持目标如下：

• 多厂商系统和（或）设备之间的连接性和互操作性，以实现适配和方便扩展。

• 传输中的数据的完整性和安全性，以及对数据库的访问，来保证工厂的可靠运行。

• 传输中最小化可能的延迟或延时，以便及时分析和决策。

• 语音、数据和视频图像传输的整合，以提供信息的一致性。

为了定义和规范设备与网络连接的操作，在20世纪80年代开发了开放互连系统（OSI）模型。OSI模型有七个层，每个层都有独特的目的。如图1所示，每一层都可以与上面和下面的层一起工作，以实现系统或网络之间的端到端通信。来自应用（在最顶层或指定的应用层）的信息通过七层的相互依赖和相互服务，通过一系列的物理网络（通常定义为最底层）持续打包和分发。

图1 OSI层

工业通信网络是工业系统的一个重要组成部分，因为它使得单个控制单元能够管理网络上的许多I/O，而与技术无关。工厂的网络控制架构包括电机控制、运动控制、机器人和传统的可编程逻辑控制器（PLC）。如下图表格所示，主要的工业网络技术有工业以太网(EtherCat、Profinet、Ethernet/IP、CC-Link IE、Modbus-TCP、Powerlink、Sercos III、OPC-UA)和现场总线(Profibus、Modbus RTU/ASCII、DeviceNet、CANopen、ASI-5、IO-Link)。在工业自动化中，对象由PLC、SCADA和DCS控制。现场仪表、智能现场设备、监控PC、分布式I/O控制器和人机界面HMI系统都可以使用。为了连接和通信，这些设备需要强大的通信网络策略。它们连接现场设备、控制器和PC，以便通过无线或电缆发送数据和控制信号。同样，传感器网络由一组小型供电设备和无线或有线网络基础设施组成，即使在恶劣的工厂环境下也能记录数据。传感器网络节点协作感知和控制环境，并实现M2M（机器对机器）、H2M（人对机器）的交互，反之亦然。

用于信息网络和控制网络层的设备的市场趋势已经从CAN或RS-485等串行连接转向工业以太网。市场需求也已转向更实时的操作，以连接其他层并作为中央管理来管理大数据。以太网连接在工业领域的日益普及使得开发新方法来提高制造过程的效率和可靠性成为可能。在机器、机器人和其他工业自动化应用的工业/运营技术（OT）环境中，以太网已缓慢但稳定地取代了其他通信协议。与传统的现场总线相比，以太网能够提供更可靠、更安全的服务，因此其应用也越来越广泛。为了提高生产力、产量、正常运行时间性能、产品质量和整体盈利能力，所有技术运营OT环境下的设备都在利用以太网功能等以新方式集成机器、机器人和其他关键自动化设备。原始设备制造商（OEM）可以通过利用以太网端口、传感器、设备和其他支持组件更好地满足目标客户的需求，从而在竞争中脱颖而出。由于以太网可以以毫秒级的精度远距离传输指令，它最终可能使工厂几乎完全无需人工干预即可运行。以太网的速度和带宽允许收集前所未有的大量实时数据。工业以太网通过将机器制造商和用户聚集在一起进行网络设计和规划，促进长期合作和成功。出于同样的原因，新的机会正在涌现，以保持他们的商业参与。借助以太网，可以快速轻松地远程访问诊断状态数据。最终用户可以快速访问构建该设备的全球团队中最好的机器诊断专家，而无需停机或紧急费用。冗余和确定性是定义工业以太网时的重要因素，因为它源自企业内部网络。简而言之，工业以太网能够更好的适应工厂中的噪音、工厂工艺流程需求和更恶劣的环境，它甚至可以以优化的可靠性和安全性更好地应对工厂车间的数据冲突。

以太网的主要好处之一是，以太网协议可以一致性和可重复的方式管理高速工业流程，例如，装配线上机器之间所需的交接决定，可以精确到毫秒甚至纳秒级。在这里，工业以太网的确定性为未来的工业网络应用提供了一个良好的平台，如时间敏感网络或TSN。图2描述了其中的一些关键特征。

图2 TSN功能

图3 IT-OT融合的驱动因素

在工厂层面，TSN类型（由IEEE 802.1定义）的确定性以太网框架提供了各种TSN协议功能的优势，如时间同步、帧抢占、入口监管、时间感知重塑等。信息物理系统是工业4.0的核心。这些系统需要网络空间表示。为此，来自工厂上层的运营技术（OT）和信息技术（IT）网络必须融合。这可以使用基于TSN、AI/ML的网络自动重新配置等技术来实现。然而，TSN协议以及网络自动重新配置仍处于发展阶段，但它将成为共享工业应用的未来。

无缝实时通信是所有工业4.0和工业物联网（IIoT）实施的核心前提条件。瑞萨电子为所有先进的工业以太网和现场总线协议提供一流的通信组件，如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、Modbus、CC-Link等。所有这些芯片解决方案都有全面的软件支持。例如，R-IN32M3是经过认证的多协议工业以太网解决方案（PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT等。）是一种经过认证的硬件和软件解决方案，可以加快产品开发并将其快速推向市场，图4和图5也是如此：

图4 软件层的方框图

图5 R-IN32M3模块解决方案框图

R-IN32M4-CL3是R-IN32M3的下一代产品，用于工业以太网（IE）通信，预示着对CC-Link IE时间敏感网络（TSN）的支持，这是下一代以太网TSN技术的通信标准。同样，RZ/T2M、RZ/N2L，最新的MPU集成了符合时间敏感网络（TSN）的三端口千兆以太网交换机和一个EtherCAT从属控制器，支持工业网络通信协议，包括EtherCAT、Profinet IRT/RT、EtherNet/IP和OPC UA。

此外，基于瑞萨RX72M（高性能32位微控制器）的网络解决方案旨在减少RX72M用于工业网络从属设备时的开发时间，可用于机器人终端的电机驱动、小型可编程逻辑控制器（PLC）和远程I/O等。有关RX72M产品的更多信息，欢迎点击文末阅读原文访问产品页查看。

RX72M网络解决方案包括一个基于RX72M的评估板以及用于操作系统、中间件和工业网络通信协议的示例软件，支持市场上大约70%的主要工业网络通信协议，这增强了我们在客户产品开发方面的竞争力。RX72M解决方案（包括合作伙伴MW）旨在解决广泛的工业以太网协议，包括EtherCAT、OPC UA、PROFINET RT、EtherNet/IP、Modbus TCP等，为工业设计提供高灵活性和多种网络选项。

图7 RX72M工业网络解决方案

RX72M网络解决方案介绍页请识别下方二维码查看：

瑞萨提供一系列MCP/MPU设备，支持单协议和多协议通信选项，以及各种工厂自动化使用示例。基于单协议的设备为客户提供了紧凑的尺寸和低廉的成本，而基于多协议的设备提供了独特的环境。瑞萨电子工业以太网MCU和MPU设备提供冗余性，并支持定制产品的开发。瑞萨工业以太网支持的MCU/MPU设备使得利用任何层通信成为可能。我们的一些多协议设备可以同时运行两种工业协议。因此，客户可以开发工业以太网协议之间的网关，使瑞萨电子成为开发强大的工业网络解决方案的理想选择。

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瑞萨电子 (TSE: 6723)

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