工業(yè)4.0的概念涉及整合智能機器、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用新的工作方式。計算機化、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)絡是工業(yè)基礎設施不同層級之間連接的關(guān)鍵。工業(yè)網(wǎng)絡通過在現(xiàn)場設備之間信息交換，在工廠車間提供即時的數(shù)據(jù)訪問，其支持目標如下：

• 多廠商系統(tǒng)和（或）設備之間的連接性和互操作性，以實現(xiàn)適配和方便擴展。

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

• 傳輸中最小化可能的延遲或延時，以便及時分析和決策。

• 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)范設備與網(wǎng)絡連接的操作，在20世紀80年代開發(fā)了開放互連系統(tǒng)（OSI）模型。OSI模型有七個層，每個層都有獨特的目的。如圖1所示，每一層都可以與上面和下面的層一起工作，以實現(xiàn)系統(tǒng)或網(wǎng)絡之間的端到端通信。來自應用（在最頂層或指定的應用層）的信息通過七層的相互依賴和相互服務，通過一系列的物理網(wǎng)絡（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)絡是工業(yè)系統(tǒng)的一個重要組成部分，因為它使得單個控制單元能夠管理網(wǎng)絡上的許多I/O，而與技術(shù)無關(guān)。工廠的網(wǎng)絡控制架構(gòu)包括電機控制、運動控制、機器人和傳統(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)自動化中，對象由PLC、SCADA和DCS控制。現(xiàn)場儀表、智能現(xiàn)場設備、監(jiān)控PC、分布式I/O控制器和人機界面HMI系統(tǒng)都可以使用。為了連接和通信，這些設備需要強大的通信網(wǎng)絡策略。它們連接現(xiàn)場設備、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。同樣，傳感器網(wǎng)絡由一組小型供電設備和無線或有線網(wǎng)絡基礎設施組成，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)絡節(jié)點協(xié)作感知和控制環(huán)境，并實現(xiàn)M2M（機器對機器）、H2M（人對機器）的交互，反之亦然。

用于信息網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡層的設備的市場趨勢已經(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)向更實時的操作，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。在機器、機器人和其他工業(yè)自動化應用的工業(yè)/運營技術(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，因此其應用也越來越廣泛。為了提高生產(chǎn)力、產(chǎn)量、正常運行時間性能、產(chǎn)品質(zhì)量和整體盈利能力，所有技術(shù)運營OT環(huán)境下的設備都在利用以太網(wǎng)功能等以新方式集成機器、機器人和其他關(guān)鍵自動化設備。原始設備制造商（OEM）可以通過利用以太網(wǎng)端口、傳感器、設備和其他支持組件更好地滿足目標客戶的需求，從而在競爭中脫穎而出。由于以太網(wǎng)可以以毫秒級的精度遠距離傳輸指令，它最終可能使工廠幾乎完全無需人工干預即可運行。以太網(wǎng)的速度和帶寬允許收集前所未有的大量實時數(shù)據(jù)。工業(yè)以太網(wǎng)通過將機器制造商和用戶聚集在一起進行網(wǎng)絡設計和規(guī)劃，促進長期合作和成功。出于同樣的原因，新的機會正在涌現(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)建該設備的全球團隊中最好的機器診斷專家，而無需停機或緊急費用。冗余和確定性是定義工業(yè)以太網(wǎng)時的重要因素，因為它源自企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡。簡而言之，工業(yè)以太網(wǎng)能夠更好的適應工廠中的噪音、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對工廠車間的數(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的方式管理高速工業(yè)流程，例如，裝配線上機器之間所需的交接決定，可以精確到毫秒甚至納秒級。在這里，工業(yè)以太網(wǎng)的確定性為未來的工業(yè)網(wǎng)絡應用提供了一個良好的平臺，如時間敏感網(wǎng)絡或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，如時間同步、幀搶占、入口監(jiān)管、時間感知重塑等。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)絡空間表示。為此，來自工廠上層的運營技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡必須融合。這可以使用基于TSN、AI/ML的網(wǎng)絡自動重新配置等技術(shù)來實現(xiàn)。然而，TSN協(xié)議以及網(wǎng)絡自動重新配置仍處于發(fā)展階段，但它將成為共享工業(yè)應用的未來。

無縫實時通信是所有工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）實施的核心前提條件。瑞薩電子為所有先進的工業(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，預示著對CC-Link IE時間敏感網(wǎng)絡（TSN）的支持，這是下一代以太網(wǎng)TSN技術(shù)的通信標準。同樣，RZ/T2M、RZ/N2L，最新的MPU集成了符合時間敏感網(wǎng)絡（TSN）的三端口千兆以太網(wǎng)交換機和一個EtherCAT從屬控制器，支持工業(yè)網(wǎng)絡通信協(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)絡解決方案旨在減少RX72M用于工業(yè)網(wǎng)絡從屬設備時的開發(fā)時間，可用于機器人終端的電機驅(qū)動、小型可編程邏輯控制器（PLC）和遠程I/O等。有關(guān)RX72M產(chǎn)品的更多信息，歡迎點擊文末閱讀原文訪問產(chǎn)品頁查看。

RX72M網(wǎng)絡解決方案包括一個基于RX72M的評估板以及用于操作系統(tǒng)、中間件和工業(yè)網(wǎng)絡通信協(xié)議的示例軟件，支持市場上大約70%的主要工業(yè)網(wǎng)絡通信協(xié)議，這增強了我們在客戶產(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)設計提供高靈活性和多種網(wǎng)絡選項。

圖7 RX72M工業(yè)網(wǎng)絡解決方案

RX72M網(wǎng)絡解決方案介紹頁請識別下方二維碼查看：

瑞薩提供一系列MCP/MPU設備，支持單協(xié)議和多協(xié)議通信選項，以及各種工廠自動化使用示例。基于單協(xié)議的設備為客戶提供了緊湊的尺寸和低廉的成本，而基于多協(xié)議的設備提供了獨特的環(huán)境。瑞薩電子工業(yè)以太網(wǎng)MCU和MPU設備提供冗余性，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設備使得利用任何層通信成為可能。我們的一些多協(xié)議設備可以同時運行兩種工業(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)強大的工業(yè)網(wǎng)絡解決方案的理想選擇。

瑞薩工廠自動化

瑞薩工業(yè)網(wǎng)絡

1

END

1

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，提供完整的半導體解決方案。成功產(chǎn)品組合加速汽車、工業(yè)、基礎設施及物聯(lián)網(wǎng)應用上市，賦能數(shù)十億聯(lián)網(wǎng)智能設備改善人們的工作和生活方式。更多信息，敬請訪問renesas.com