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來(lái)源：富昌電子 如今，工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)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(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )或 TSN 等新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域僅占有很少的領(lǐng)地。雖然工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革速度確實(shí)比消費電子領(lǐng)域慢，但毫無(wú)疑問(wèn)，變革即將到來(lái)。 
圖 1：據 HMS Networks 的研究，2020 年新工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )設施的市場(chǎng)份額（圖片來(lái)源：HMS Networks，hms-networks.com。） TSN 在工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )中的應用現在正受到它提供的強大財務(wù)和運營(yíng)優(yōu)勢的推動(dòng)。事實(shí)上，這種趨勢并不僅限于工廠(chǎng)：在汽車(chē)、火車(chē)、建筑物和其他地方，TSN 開(kāi)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(chǎng)商在構建 TSN 網(wǎng)絡(luò )接口卡 (NIC) 和 TSN 兼容設備時(shí)可以從一整套產(chǎn)品選項中進(jìn)行選擇，使他們能夠滿(mǎn)足各種電路設計要求。 推動(dòng)向 TSN 過(guò)渡的因素 多年來(lái)，工廠(chǎng)向 TSN 過(guò)渡的背后勢頭一直在增長(cháng)。2009 年，隨著(zhù) AVNU 聯(lián)盟的成立，工業(yè)或汽車(chē)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(lái)有線(xiàn)辦公網(wǎng)絡(luò )的普遍特征，得到了工業(yè)和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)領(lǐng)域一些著(zhù)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(chē)、恩智浦半導體和瑞薩等。 該小組承擔了開(kāi)發(fā)稱(chēng)為音頻視頻橋接 (AVB) 的強大以太網(wǎng)版本的任務(wù)。2011 年成立的 AVB 任務(wù)組的目標是開(kāi)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(chē)信息娛樂(lè )設備的協(xié)議。 AVNU 聯(lián)盟隨后將其工作擴展到涵蓋工廠(chǎng)自動(dòng)化，“時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )”一詞于 2012 年出現。在 IEEE 的支持下，AVNU 聯(lián)盟著(zhù)手制定一套標準，為運營(yíng)技術(shù) (OT) 應用定義 TSN 網(wǎng)絡(luò )的附加功能。標準 TSN 協(xié)議將建立在信息技術(shù) (IT) 設置中實(shí)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(diǎn)是簡(jiǎn)單、低成本和高性能的組合。 如今，工廠(chǎng)受到以下問(wèn)題的困擾： · 不兼容的工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議激增，如今一個(gè)工廠(chǎng)通常包括兩個(gè)、三個(gè)或更多的離散網(wǎng)絡(luò ) · 網(wǎng)絡(luò )系統提供的每個(gè)離散服務(wù)（例如音頻、控制、診斷和多媒體）采用單獨布線(xiàn) 這導致網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的重復，并因此導致材料和安裝成本的重復。 工廠(chǎng)內部的眾多網(wǎng)絡(luò )標準也將不同的設備集隔離成網(wǎng)絡(luò )孤島：一個(gè)孤島中的設備對于另一個(gè)孤島中的設備來(lái)說(shuō)是隱藏的。這阻礙了工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中的設備集成。OT 和 IT 系統之間同樣缺乏透明度。 網(wǎng)絡(luò )架構的絕對復雜性也使維護和維修操作更加困難、耗時(shí)和昂貴。 TSN 提供了一種消除所有這些問(wèn)題的方法。在工廠(chǎng)系統中，它可以作為現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議產(chǎn)生的流量的載體。就開(kāi)放系統互連 (OSI) 模型而言，TSN 是一種第 2 層網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。 支持 TSN 的以太網(wǎng)產(chǎn)品還提供 100 Mb/s 或更高的數據傳輸速率，而當今大多數工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )和工廠(chǎng)中的其他連接服務(wù)都以 100 Mb/s 或更低的數據速率運行。這意味著(zhù) TSN 技術(shù)的實(shí)施允許運營(yíng)商在單個(gè)以太網(wǎng)介質(zhì)上集成多種服務(wù)，如圖 2 所示。
圖 2：TSN可以作為多種現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的載體（圖片來(lái)源：富昌電子） 因此，TSN 可以解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)激增帶來(lái)的問(wèn)題： · 單根網(wǎng)線(xiàn)可減少材料用量、簡(jiǎn)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(jiǎn)單，設備更容易集成到基于 TSN 的基礎設施中。 · 能夠更簡(jiǎn)單地集成OT 和IT 系統和服務(wù)。支持采用工業(yè) 4.0 方法，將現場(chǎng)設備連接到互聯(lián)網(wǎng)。 · 更簡(jiǎn)單和更經(jīng)濟的操作程序。當網(wǎng)絡(luò )系統集成到基于 TSN 的基礎設施中時(shí)，需要監控和維護的網(wǎng)絡(luò )設備更少，更容易跟蹤故障點(diǎn)和修復故障。 網(wǎng)絡(luò )的簡(jiǎn)化也有助于提供安全性，這是采用工業(yè) 4.0 技術(shù)不可或缺的條件。在 TSN 之前，OT 系統可能由多個(gè)網(wǎng)段組成，每個(gè)網(wǎng)段的安全性都必須單獨管理。這增加了 IT 部門(mén)的負擔，并增加了安全漏洞的風(fēng)險。 借助 TSN，VLAN 技術(shù)使運營(yíng)商能夠在單個(gè)集成以太網(wǎng)拓撲中虛擬地運行多種不同的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。 這意味著(zhù)安全程序只需要應用于 TSN 節點(diǎn)，而不是異構網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)：這簡(jiǎn)化了 IT 端的安全管理，從而降低了使網(wǎng)絡(luò )易受攻擊的風(fēng)險。 TSN 協(xié)議的主要特性 AVNU 聯(lián)盟于 2011 年開(kāi)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(luò )的以下主要操作特性： · 時(shí)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(luò )協(xié)議的服務(wù)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 在工業(yè)設備中實(shí)施 TSN 的設備設計人員可以選擇 TSN 網(wǎng)絡(luò )設備關(guān)鍵組件、收發(fā)器和交換機的分立式版本和片上系統 (SoC) 版本。 分立式版本專(zhuān)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的微處理器架構，并重新使用為該架構開(kāi)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(gè)設備中提供多達 8 個(gè)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(gè)片上處理器，用于運行 TSN 協(xié)議和執行網(wǎng)絡(luò )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(jiǎn)單，組件數量更少，因此開(kāi)發(fā)時(shí)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(kāi)發(fā)。 雖然 SoC 版本提供了比分立式同類(lèi)產(chǎn)品更簡(jiǎn)單的硬件布局，但它們仍然給設計人員帶來(lái)了集成挑戰，包括提供 DRAM 存儲器和電源管理系統。為了簡(jiǎn)化實(shí)施并縮短上市時(shí)間，帶有 SoC 版本的 TSN 組件的系統級模塊 (SOM) 是一個(gè)可行的選擇。SOM 選項對于硬件開(kāi)發(fā)資源和時(shí)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)系統還獲得了實(shí)施 TSN 或以太網(wǎng)設計所需的廣泛的無(wú)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(lái)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(xiàn)的卡入式端接接線(xiàn)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(huì ) · 用于以太網(wǎng)終端的磁性材料，來(lái)自 Eaton 和 Pulse Electronics 等制造商 · 以太網(wǎng)供電 (PoE) 和相關(guān)電源組件，來(lái)自 YAGEO 和 Eaton 等制造商 支持性開(kāi)發(fā)環(huán)境 上述廣泛的產(chǎn)品選擇表明，在工廠(chǎng)自動(dòng)化設備中實(shí)施 TSN 由成熟的組件生態(tài)系統提供支持。此外，許多熟悉傳統現場(chǎng)總線(xiàn)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(kāi)發(fā)資產(chǎn)轉移到 TSN。 盡管如此，仍然不得不說(shuō)，遷移到基于 TSN 的網(wǎng)絡(luò )架構需要設計人員學(xué)習和適應新技術(shù)。這包括需要配置 TSN 的功能以支持整個(gè)網(wǎng)絡(luò )。富昌電子已準備好在轉型過(guò)程中為設計工程師提供支持，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和嵌入式計算方面的本地和區域專(zhuān)家提供有關(guān)網(wǎng)絡(luò )實(shí)施和組件選擇的指導。 |
