工程師說 | 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)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因為它能夠支持各種聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而實施確定性實時通信控制。

Kayoko Nemoto——Senior Staff Marketing Specialist

“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)定性和實時控制機制的環(huán)境。

當(dāng)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(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(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)

TSN

時間敏感網(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（參見圖2）。為了滿足這些變化和要求，瑞薩提供了與時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）相關(guān)的針對性產(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)（參見圖3），以支持實時可預(yù)測行為和TSN技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)。

圖3 TSN組件和IEEE標(biāo)準(zhǔn)

OPC UA

OPC基金會創(chuàng)建的開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）用于工業(yè)自動化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)過程的指揮和控制。并且是一種分層、適應(yīng)性強、可信和開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。（參見圖4）

圖4 OPC-UA廣義的架構(gòu)

EtherCAT

EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，由EtherCAT技術(shù)組維護(hù)。該協(xié)議被以及同時進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和實時控制的設(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)功能集成在單個芯片上的工業(yè)自動化（參見圖5）。

圖5 RX72M、RX72N和RX66N的多項關(guān)鍵特性

PROFINET

PROFINET標(biāo)準(zhǔn)是一種開放、標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，用于自動化環(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。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，為設(shè)備制造商提供快速、簡單且節(jié)省成本的PROFINET IO設(shè)備接口集成。除了以太網(wǎng)協(xié)議 PROFINET（RT），RX72M MCU還支持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)場總線。

Ethernet/IP

EtherNet/IP是一種協(xié)議，允許連接以太網(wǎng)的工業(yè)自動化設(shè)備進(jìn)行交互。EtherNet/IP提供循環(huán)和非循環(huán)通信，可通過TCP/IP和UDP/IP進(jìn)行通信，允許使用EtherNet/IP進(jìn)行實時通信和控制，提供可擴展的高速通信。

通過與合作伙伴的合作，瑞薩電子提供的RX72M網(wǎng)絡(luò)解決方案已通過這三種主要協(xié)議（EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP）的認(rèn)證測試。

圖6 僅在認(rèn)證板上有協(xié)會標(biāo)志

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(gòu)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(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)，包括核心技術(shù)。

正如已經(jīng)強調(diào)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(wǎng)框架來實現(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。對于工業(yè)自動化和其他應(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。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(wǎng)解決方案。