工业以太网的发展趋势 以太网在面向工业应用中的进化

摘要

工业以太网是什么意思？工业以太网发挥着至关重要的作用，因为它能够支持各种联网协议，从而实施确定性实时通信控制。

“工业以太网”（IE）是指以太网在工业环境中的使用，特别是采用预定性和实时控制机制的环境。

当涉及到为工厂自动化提供通信解决方案时，硬件、软件和服务是最重要的元素，工业以太网广泛应用于各行各业，包括石油和天然气、航空航天和国防、能源和电力、电气和电子、汽车和运输、化工等行业。在工业以太网中，TSN、OPC-UA、EtherCAT、Profinet、ethernet/IP、CC-link IE和Modbus等协议被广泛应用于各种目标应用中。（图1）

图1 工业以太网架构

时间敏感网络，通常称为TSN，是构成工业4.0信息物理系统核心的关键实体之一，工业4.0由更具确定性的工业以太网驱动（参见图2）。为了实现这一目标，运营技术（OT）网络和来自更高制造水平的信息技术（IT）网络需要合并，这些系统必须在网络空间中有某种展示才能正常运行。然而，当代的绝大多数工业以太网标准都要求使用专有的硬件和协议，这导致网络的融合变得非常困难。为了满足这些变化和要求，瑞萨提供了与时间敏感网络（TSN）相关的针对性产品/解决方案。

图2 什么是TSN

IEEE 802.1 TSN任务组已经整合了IEEE标准（参见图三），以支持实时可预测行为和TSN技术的纵向和横向可扩展性。

Renesas R-IN32M4-CL3 SoC是最早支持CC-Link IE TSN B类控制器之一，而R-IN32M2 SoC系列和RX72M MCU也有支持CC-Link IE TSN a类的解决方案。这些解决方案可实现高速、大容量通信，无需软件实时操作系统和外部部件即可实现。

图3 TSN组件和IEEE标准

OPC基金会创建的开放平台通信统一架构（OPC UA）用于工业自动化M2M通信。该架构适用于所有工业领域的组件，包括工业传感器和执行器、控制系统、这些系统用于工业过程的指挥和控制。并且是一种分层、适应性强、可信和开放的标准协议。

OPC UA系统架构将客户端和服务器建模为交互伙伴，并且每个系统可能包含多个客户端和服务器。下图四展示了包含组合服务器和客户端的体系结构。

图4 OPC-UA广义的架构

EtherCAT

EtherCAT是一种基于以太网的现场总线系统，由EtherCAT技术组维护。该协议被以及同时进行高速数据采集和实时控制的设备、EtherCAT具有高性能、低成本和灵活的拓扑结构，已成为业界领先的协议之一。瑞萨扩展了设备控制和网络产品组合，采用瑞萨专有的核心新RXv3第三代CPU和32位RX72M、RX72N和RX66N MCUs，用于将设备控制和网络功能集成在单个芯片上的工业自动化（参见图5）。

为了满足工业自动化的需求，瑞萨推出了一系列适用于EtherCAT连接的微控制器。其中，RX72M配有240 MHz处理器、高达4 MB闪存和1 MB RAM，具有以太网、USB、CAN、SPI、I2C等多种外设和接口。这款适应性强的微控制器已成为许多工业应用的首选。

图5 RX72M、RX72N和RX66N的多项关键特性

PROFINET

PROFINET标准是一种开放、标准化的工业以太网协议，用于自动化环境中的数据传输，促进控制器和设备之间的通信。PROFINET的循环和非循环协议定义了诊断、功能安全、报警和其他形式的数据交换。瑞萨电子的TPS-1是一种支持PROFINET（IRT）的PROFINET IO设备芯片解决方案，可简化实施过程，为设备制造商提供快速、简单且节省成本的PROFINET IO设备接口集成。

PROFINET是工业自动化应用中常用的现场总线协议，支持PROFIBUS DP（分散外设）和PROFIBUS DP-V1（版本1）协议，这两种协议广泛应用于工业自动化应用中，用于PLC和其他设备之间的通信。PROFIBUS和PROFINET技术的全球伞式组织PROFIBUS & PROFINET INTERNATIONAL（PI）在其建议的MCU/MPU/LSI中列出了RX72M MCU以支持现场总线。因此，RX72M MCU是工业自动化应用的通用选择。

Ethernet/IP

Ethernet/IP是一种协议，允许连接以太网的工业自动化设备进行交互。它是由开放设备网供应商协会（ODVA）创建的三个基于以太网的工业自动化协议之一，另外两个是PROFINET和EtherCAT。以太网/IP提供循环和非循环通信，可以通过TCP/IP和UDP/IP进行通信。这使得它成为一种通用的协议，可以在工业中的小型控制系统到大型分布式系统中使用。PLC、HMI、传感器和其他自动化设备等工业设备可以使用以太网/IP进行实时通信和控制，它使用以太网和IP提供可扩展的高速通信。

Ethernet MAC

Ethernet MAC（Ethernet Media Access Control）是设备网络接口控制器（NIC）的唯一标识，用于实现以太网网络通信。基于FreeRTOS的灵活软件包（FSP）支持可以采用其他RTOS和中间件。

此外，瑞萨支持一个全面的合作伙伴生态系统来提供一系列软件和硬件构建模块，这些模块将与瑞萨MCU一起开箱即用。这一生态系统将有助于加快物联网应用的开发，包括核心技术。

正如已经强调的那样，今天的工厂车间需要一个通用、强悍的确定性和非确定性以太网框架来实现最高程度的工业网络连接。作为该领域的市场领导者，瑞萨解决方案涵盖了广泛的工业以太网要求，以其性能、可靠性和易用性而闻名。对于工业自动化和其他应用，这些系统专为高速数据传输、低延迟和低功耗而设计。为了加速采用，瑞萨提供了各种开发和解决方案套件，帮助工程师快速创建增值工业以太网解决方案。