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來源：富昌電子 如今，工廠自動化網(wǎng)絡技術的安裝基礎仍然以熟悉的協(xié)議為主，例如 Profinet、EtherCAT® 、Modbus-TCP 和以太網(wǎng)/IP，如圖 1 所示。時間敏感型網(wǎng)絡或 TSN 等新技術在工業(yè)領域僅占有很少的領地。雖然工業(yè)領域的技術變革速度確實比消費電子領域慢，但毫無疑問，變革即將到來。 
圖 1：據(jù) HMS Networks 的研究，2020 年新工廠網(wǎng)絡設施的市場份額（圖片來源：HMS Networks，hms-networks.com。） TSN 在工廠自動化網(wǎng)絡中的應用現(xiàn)在正受到它提供的強大財務和運營優(yōu)勢的推動。事實上，這種趨勢并不僅限于工廠：在汽車、火車、建筑物和其他地方，TSN 開始成為全以太網(wǎng)通信的支柱。 正如本文將展示的那樣，OEM 廠商在構建 TSN 網(wǎng)絡接口卡 (NIC) 和 TSN 兼容設備時可以從一整套產(chǎn)品選項中進行選擇，使他們能夠滿足各種電路設計要求。 推動向 TSN 過渡的因素 多年來，工廠向 TSN 過渡的背后勢頭一直在增長。2009 年，隨著 AVNU 聯(lián)盟的成立，工業(yè)或汽車環(huán)境中首次正式宣布了以太網(wǎng)協(xié)議鏡像的概念，這是自 1990 年代以來有線辦公網(wǎng)絡的普遍特征，得到了工業(yè)和汽車網(wǎng)絡技術領域一些著名企業(yè)的支持，包括思科、英特爾、博世、通用電氣、寶馬、通用汽車、恩智浦半導體和瑞薩等。 該小組承擔了開發(fā)稱為音頻視頻橋接 (AVB) 的強大以太網(wǎng)版本的任務。2011 年成立的 AVB 任務組的目標是開發(fā)一種基于以太網(wǎng)、適用于連接攝像頭和顯示器等汽車信息娛樂設備的協(xié)議。 AVNU 聯(lián)盟隨后將其工作擴展到涵蓋工廠自動化，“時間敏感網(wǎng)絡”一詞于 2012 年出現(xiàn)。在 IEEE 的支持下，AVNU 聯(lián)盟著手制定一套標準，為運營技術 (OT) 應用定義 TSN 網(wǎng)絡的附加功能。標準 TSN 協(xié)議將建立在信息技術 (IT) 設置中實施的基本以太網(wǎng)協(xié)議之上。TSN 標準的發(fā)起者承諾其優(yōu)點是簡單、低成本和高性能的組合。 如今，工廠受到以下問題的困擾： · 不兼容的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線協(xié)議激增，如今一個工廠通常包括兩個、三個或更多的離散網(wǎng)絡 · 網(wǎng)絡系統(tǒng)提供的每個離散服務（例如音頻、控制、診斷和多媒體）采用單獨布線 這導致網(wǎng)絡布線的重復，并因此導致材料和安裝成本的重復。 工廠內(nèi)部的眾多網(wǎng)絡標準也將不同的設備集隔離成網(wǎng)絡孤島：一個孤島中的設備對于另一個孤島中的設備來說是隱藏的。這阻礙了工廠自動化系統(tǒng)中的設備集成。OT 和 IT 系統(tǒng)之間同樣缺乏透明度。 網(wǎng)絡架構的絕對復雜性也使維護和維修操作更加困難、耗時和昂貴。 TSN 提供了一種消除所有這些問題的方法。在工廠系統(tǒng)中，它可以作為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議產(chǎn)生的流量的載體。就開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型而言，TSN 是一種第 2 層網(wǎng)絡技術。 支持 TSN 的以太網(wǎng)產(chǎn)品還提供 100 Mb/s 或更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而當今大多數(shù)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡和工廠中的其他連接服務都以 100 Mb/s 或更低的數(shù)據(jù)速率運行。這意味著 TSN 技術的實施允許運營商在單個以太網(wǎng)介質(zhì)上集成多種服務，如圖 2 所示。 
圖 2：TSN可以作為多種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡的載體（圖片來源：富昌電子） 因此，TSN 可以解決工業(yè)網(wǎng)絡技術激增帶來的問題： · 單根網(wǎng)線可減少材料用量、簡化安裝并減少資本支出。 · 不同供應商提供的設備之間的透明度更高，互操作性測試更簡單，設備更容易集成到基于 TSN 的基礎設施中。 · 能夠更簡單地集成OT 和IT 系統(tǒng)和服務。支持采用工業(yè) 4.0 方法，將現(xiàn)場設備連接到互聯(lián)網(wǎng)。 · 更簡單和更經(jīng)濟的操作程序。當網(wǎng)絡系統(tǒng)集成到基于 TSN 的基礎設施中時，需要監(jiān)控和維護的網(wǎng)絡設備更少，更容易跟蹤故障點和修復故障。 網(wǎng)絡的簡化也有助于提供安全性，這是采用工業(yè) 4.0 技術不可或缺的條件。在 TSN 之前，OT 系統(tǒng)可能由多個網(wǎng)段組成，每個網(wǎng)段的安全性都必須單獨管理。這增加了 IT 部門的負擔，并增加了安全漏洞的風險。 借助 TSN，VLAN 技術使運營商能夠在單個集成以太網(wǎng)拓撲中虛擬地運行多種不同的網(wǎng)絡服務。 這意味著安全程序只需要應用于 TSN 節(jié)點，而不是異構網(wǎng)絡節(jié)點：這簡化了 IT 端的安全管理，從而降低了使網(wǎng)絡易受攻擊的風險。 TSN 協(xié)議的主要特性 AVNU 聯(lián)盟于 2011 年開始的工作以在各種 IEEE 標準中編纂的強大協(xié)議告終。這些標準涵蓋了網(wǎng)絡的以下主要操作特性： · 時間同步 · 延遲 · 資源管理 · 可靠性 這些標準位于基本 IEEE 802.3 以太網(wǎng)標準之上，確保各種網(wǎng)絡協(xié)議的服務級別在集成到 TSN 后得以維持，如圖 3 所示。
圖 3：構成 TSN 協(xié)議的傳統(tǒng)以太網(wǎng)標準之上的附加標準 完整的 TSN 組件和模塊生態(tài)系統(tǒng) 在工業(yè)設備中實施 TSN 的設備設計人員可以選擇 TSN 網(wǎng)絡設備關鍵組件、收發(fā)器和交換機的分立式版本和片上系統(tǒng) (SoC) 版本。 分立式版本專用于收發(fā)器或交換機功能，并與單獨的主機 CPU 一起運行。分立式收發(fā)器或交換機的使用使設計人員可以自由地維護傳統(tǒng)的微處理器架構，并重新使用為該架構開發(fā)的應用軟件。 分立式 TSN 收發(fā)器的典型示例是 Microchip LAN9668，一款 TSN 交換機。它可以與 LAN8814 結合使用，LAN8814 是 2022 年 1 月推出的第 1 層（物理層）產(chǎn)品，可在單個設備中提供多達 8 個以太網(wǎng)端口。 瑞薩還提供 RZ/N2L 系列三端口 TSN 交換機。恩智浦的 SJA110x 系列提供了另一種 TSN 交換機選項。 SoC 版本包括一個片上處理器，用于運行 TSN 協(xié)議和執(zhí)行網(wǎng)絡控制功能，并支持應用程序。TSN 收發(fā)器 SoC 的示例包括： · 恩智浦半導體 i.MX8M Plus、i.MX 8DualXLite 和 i.MX RT1176 · 瑞薩 RZ/G2、RZ/V2M和RZ/T2，還支持集成到TSN中的其他工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，例如 Profinet CC-D，即Profinet-over-TSN 雖然上述示例是支持 TSN 的收發(fā)器 SoC，但也有 TSN 交換機 SoC： · 恩智浦 LS1018 和 LS1028 · Microchip Sparx-5i SoC 版本的優(yōu)勢是硬件布局更簡單，組件數(shù)量更少，因此開發(fā)時間更短，BOM成本可能更低。 這些 TSN 產(chǎn)品（包括分立式和 SoC 版本）均由全面的軟件和工具產(chǎn)品提供支持，以支持完整的 TSN 應用的開發(fā)。 雖然 SoC 版本提供了比分立式同類產(chǎn)品更簡單的硬件布局，但它們?nèi)匀唤o設計人員帶來了集成挑戰(zhàn)，包括提供 DRAM 存儲器和電源管理系統(tǒng)。為了簡化實施并縮短上市時間，帶有 SoC 版本的 TSN 組件的系統(tǒng)級模塊 (SOM) 是一個可行的選擇。SOM 選項對于硬件開發(fā)資源和時間有限的制造商也很有幫助。富昌電子提供 Karo Electronics 和 iWave 的 SOM 產(chǎn)品，它們支持 i.MX 8MPlus 等收發(fā)器 SoC。 TSN 組件的生態(tài)系統(tǒng)還獲得了實施 TSN 或以太網(wǎng)設計所需的廣泛的無源和連接器產(chǎn)品的支持，這些產(chǎn)品都可從富昌電子獲得： · 來自 TE Connectivity、Amphenol Communications Solutions、Hirose、Harting、WAGO、METZ CONNECT等制造商的連接器 RJ45 插孔和插座 ix 工業(yè)連接器 用于以太網(wǎng)布線的卡入式端接接線端子 單對以太網(wǎng)連接器，為工業(yè)以太網(wǎng)和 TSN 設計提供了降低成本的機會 · 用于以太網(wǎng)終端的磁性材料，來自 Eaton 和 Pulse Electronics 等制造商 · 以太網(wǎng)供電 (PoE) 和相關電源組件，來自 YAGEO 和 Eaton 等制造商 支持性開發(fā)環(huán)境 上述廣泛的產(chǎn)品選擇表明，在工廠自動化設備中實施 TSN 由成熟的組件生態(tài)系統(tǒng)提供支持。此外，許多熟悉傳統(tǒng)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的聯(lián)網(wǎng)工業(yè)設備設計人員可以將他們的許多開發(fā)資產(chǎn)轉(zhuǎn)移到 TSN。 盡管如此，仍然不得不說，遷移到基于 TSN 的網(wǎng)絡架構需要設計人員學習和適應新技術。這包括需要配置 TSN 的功能以支持整個網(wǎng)絡。富昌電子已準備好在轉(zhuǎn)型過程中為設計工程師提供支持，通過網(wǎng)絡和嵌入式計算方面的本地和區(qū)域?qū)＜姨峁┯嘘P網(wǎng)絡實施和組件選擇的指導。 |
