|
來源：富昌電子 如今，工廠自動化網絡技術的安裝基礎仍然以熟悉的協議為主，例如 Profinet、EtherCAT® 、Modbus-TCP 和以太網/IP，如圖 1 所示。時間敏感型網絡或 TSN 等新技術在工業領域僅占有很少的領地。雖然工業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 HMS Networks 的研究，2020 年新工廠網絡設施的市場份額（圖片來源：HMS Networks，hms-networks.com。） TSN 在工廠自動化網絡中的應用現在正受到它提供的強大財務和運營優勢的推動。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 開始成為全以太網通信的支柱。 正如本文將展示的那樣，OEM 廠商在構建 TSN 網絡接口卡 (NIC) 和 TSN 兼容設備時可以從一整套產品選項中進行選擇，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 聯盟的成立，工業或汽車環境中首次正式宣布了以太網協議鏡像的概念，這是自 1990 年代以來有線辦公網絡的普遍特征，得到了工業和汽車網絡技術領域一些著名企業的支持，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。 該小組承擔了開發稱為音頻視頻橋接 (AVB) 的強大以太網版本的任務。2011 年成立的 AVB 任務組的目標是開發一種基于以太網、適用于連接攝像頭和顯示器等汽車信息娛樂設備的協議。 AVNU 聯盟隨后將其工作擴展到涵蓋工廠自動化，“時間敏感網絡”一詞于 2012 年出現。在 IEEE 的支持下，AVNU 聯盟著手制定一套標準，為運營技術 (OT) 應用定義 TSN 網絡的附加功能。標準 TSN 協議將建立在信息技術 (IT) 設置中實施的基本以太網協議之上。TSN 標準的發起者承諾其優點是簡單、低成本和高性能的組合。 如今，工廠受到以下問題的困擾： · 不兼容的工業以太網和現場總線協議激增，如今一個工廠通常包括兩個、三個或更多的離散網絡 · 網絡系統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 這導致網絡布線的重復，并因此導致材料和安裝成本的重復。 工廠內部的眾多網絡標準也將不同的設備集隔離成網絡孤島：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中的設備集成。OT 和 IT 系統之間同樣缺乏透明度。 網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。在工廠系統中，它可以作為現場總線和工業以太網協議產生的流量的載體。就開放系統互連 (OSI) 模型而言，TSN 是一種第 2 層網絡技術。 支持 TSN 的以太網產品還提供 100 Mb/s 或更高的數據傳輸速率，而當今大多數工業以太網網絡和工廠中的其他連接服務都以 100 Mb/s 或更低的數據速率運行。這意味著 TSN 技術的實施允許運營商在單個以太網介質上集成多種服務，如圖 2 所示。
圖 2：TSN可以作為多種現場總線和工業以太網網絡的載體（圖片來源：富昌電子） 因此，TSN 可以解決工業網絡技術激增帶來的問題： · 單根網線可減少材料用量、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 系統和服務。支持采用工業 4.0 方法，將現場設備連接到互聯網。 · 更簡單和更經濟的操作程序。當網絡系統集成到基于 TSN 的基礎設施中時，需要監控和維護的網絡設備更少，更容易跟蹤故障點和修復故障。 網絡的簡化也有助于提供安全性，這是采用工業 4.0 技術不可或缺的條件。在 TSN 之前，OT 系統可能由多個網段組成，每個網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拓撲中虛擬地運行多種不同的網絡服務。 這意味著安全程序只需要應用于 TSN 節點，而不是異構網絡節點：這簡化了 IT 端的安全管理，從而降低了使網絡易受攻擊的風險。 TSN 協議的主要特性 AVNU 聯盟于 2011 年開始的工作以在各種 IEEE 標準中編纂的強大協議告終。這些標準涵蓋了網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 以太網標準之上，確保各種網絡協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 協議的傳統以太網標準之上的附加標準 完整的 TSN 組件和模塊生態系統 在工業設備中實施 TSN 的設備設計人員可以選擇 TSN 網絡設備關鍵組件、收發器和交換機的分立式版本和片上系統 (SoC) 版本。 分立式版本專用于收發器或交換機功能，并與單獨的主機 CPU 一起運行。分立式收發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發的應用軟件。 分立式 TSN 收發器的典型示例是 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）產品，可在單個設備中提供多達 8 個以太網端口。 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 協議和執行網絡控制功能，并支持應用程序。TSN 收發器 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中的其他工業以太網協議，例如 Profinet CC-D，即Profinet-over-TSN 雖然上述示例是支持 TSN 的收發器 SoC，但也有 TSN 交換機 SoC： · 恩智浦 LS1018 和 LS1028 · Microchip Sparx-5i SoC 版本的優勢是硬件布局更簡單，組件數量更少，因此開發時間更短，BOM成本可能更低。 這些 TSN 產品（包括分立式和 SoC 版本）均由全面的軟件和工具產品提供支持，以支持完整的 TSN 應用的開發。 雖然 SoC 版本提供了比分立式同類產品更簡單的硬件布局，但它們仍然給設計人員帶來了集成挑戰，包括提供 DRAM 存儲器和電源管理系統。為了簡化實施并縮短上市時間，帶有 SoC 版本的 TSN 組件的系統級模塊 (SOM) 是一個可行的選擇。SOM 選項對于硬件開發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 產品，它們支持 i.MX 8MPlus 等收發器 SoC。 TSN 組件的生態系統還獲得了實施 TSN 或以太網設計所需的廣泛的無源和連接器產品的支持，這些產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 工業連接器 用于以太網布線的卡入式端接接線端子 單對以太網連接器，為工業以太網和 TSN 設計提供了降低成本的機會 · 用于以太網終端的磁性材料，來自 Eaton 和 Pulse Electronics 等制造商 · 以太網供電 (PoE) 和相關電源組件，來自 YAGEO 和 Eaton 等制造商 支持性開發環境 上述廣泛的產品選擇表明，在工廠自動化設備中實施 TSN 由成熟的組件生態系統提供支持。此外，許多熟悉傳統現場總線和工業以太網協議的聯網工業設備設計人員可以將他們的許多開發資產轉移到 TSN。 盡管如此，仍然不得不說，遷移到基于 TSN 的網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絡。富昌電子已準備好在轉型過程中為設計工程師提供支持，通過網絡和嵌入式計算方面的本地和區域專家提供有關網絡實施和組件選擇的指導。 |
