工業4.0的概念涉及整合智能機器、系統、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，允許靈活地改變產品種類。除了技術上的提升，工業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，工業網絡是工業基礎設施不同層級之間連接的關鍵。工業網絡通過在現場設備之間信息交換，在工廠車間提供即時的數據訪問，其支持目標如下：

• 多廠商系統和（或）設備之間的連接性和互操作性，以實現適配和方便擴展。

• 傳輸中的數據的完整性和安全性，以及對數據庫的訪問，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、數據和視頻圖像傳輸的整合，以提供信息的一致性。

為了定義和規范設備與網絡連接的操作，在20世紀80年代開發了開放互連系統（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，以實現系統或網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絡（通常定義為最底層）持續打包和分發。

圖1 OSI層

工業通信網絡是工業系統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絡上的許多I/O，而與技術無關。工廠的網絡控制架構包括電機控制、運動控制、機器人和傳統的可編程邏輯控制器（PLC）。如下圖表格所示，主要的工業網絡技術有工業以太網(EtherCat、Profinet、Ethernet/IP、CC-Link IE、Modbus-TCP、Powerlink、Sercos III、OPC-UA)和現場總線(Profibus、Modbus RTU/ASCII、DeviceNet、CANopen、ASI-5、IO-Link)。在工業自動化中，對象由PLC、SCADA和DCS控制。現場儀表、智能現場設備、監控PC、分布式I/O控制器和人機界面HMI系統都可以使用。為了連接和通信，這些設備需要強大的通信網絡策略。它們連接現場設備、控制器和PC，以便通過無線或電纜發送數據和控制信號。同樣，傳感器網絡由一組小型供電設備和無線或有線網絡基礎設施組成，即使在惡劣的工廠環境下也能記錄數據。傳感器網絡節點協作感知和控制環境，并實現M2M（機器對機器）、H2M（人對機器）的交互，反之亦然。

用于信息網絡和控制網絡層的設備的市場趨勢已經從CAN或RS-485等串行連接轉向工業以太網。市場需求也已轉向更實時的操作，以連接其他層并作為中央管理來管理大數據。以太網連接在工業領域的日益普及使得開發新方法來提高制造過程的效率和可靠性成為可能。在機器、機器人和其他工業自動化應用的工業/運營技術（OT）環境中，以太網已緩慢但穩定地取代了其他通信協議。與傳統的現場總線相比，以太網能夠提供更可靠、更安全的服務，因此其應用也越來越廣泛。為了提高生產力、產量、正常運行時間性能、產品質量和整體盈利能力，所有技術運營OT環境下的設備都在利用以太網功能等以新方式集成機器、機器人和其他關鍵自動化設備。原始設備制造商（OEM）可以通過利用以太網端口、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。以太網的速度和帶寬允許收集前所未有的大量實時數據。工業以太網通過將機器制造商和用戶聚集在一起進行網絡設計和規劃，促進長期合作和成功。出于同樣的原因，新的機會正在涌現，以保持他們的商業參與。借助以太網，可以快速輕松地遠程訪問診斷狀態數據。最終用戶可以快速訪問構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以太網時的重要因素，因為它源自企業內部網絡。簡而言之，工業以太網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境，它甚至可以以優化的可靠性和安全性更好地應對工廠車間的數據沖突。

以太網的主要好處之一是，以太網協議可以一致性和可重復的方式管理高速工業流程，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，工業以太網的確定性為未來的工業網絡應用提供了一個良好的平臺，如時間敏感網絡或TSN。圖2描述了其中的一些關鍵特征。

圖2 TSN功能

圖3 IT-OT融合的驅動因素

在工廠層面，TSN類型（由IEEE 802.1定義）的確定性以太網框架提供了各種TSN協議功能的優勢，如時間同步、幀搶占、入口監管、時間感知重塑等。信息物理系統是工業4.0的核心。這些系統需要網絡空間表示。為此，來自工廠上層的運營技術（OT）和信息技術（IT）網絡必須融合。這可以使用基于TSN、AI/ML的網絡自動重新配置等技術來實現。然而，TSN協議以及網絡自動重新配置仍處于發展階段，但它將成為共享工業應用的未來。

無縫實時通信是所有工業4.0和工業物聯網（IIoT）實施的核心前提條件。瑞薩電子為所有先進的工業以太網和現場總線協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是經過認證的多協議工業以太網解決方案（PROFINET、EtherNet/IP和EtherCAT等。）是一種經過認證的硬件和軟件解決方案，可以加快產品開發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的下一代產品，用于工業以太網（IE）通信，預示著對CC-Link IE時間敏感網絡（TSN）的支持，這是下一代以太網TSN技術的通信標準。同樣，RZ/T2M、RZ/N2L，最新的MPU集成了符合時間敏感網絡（TSN）的三端口千兆以太網交換機和一個EtherCAT從屬控制器，支持工業網絡通信協議，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）的網絡解決方案旨在減少RX72M用于工業網絡從屬設備時的開發時間，可用于機器人終端的電機驅動、小型可編程邏輯控制器（PLC）和遠程I/O等。有關RX72M產品的更多信息，歡迎點擊文末閱讀原文訪問產品頁查看。

RX72M網絡解決方案包括一個基于RX72M的評估板以及用于操作系統、中間件和工業網絡通信協議的示例軟件，支持市場上大約70%的主要工業網絡通信協議，這增強了我們在客戶產品開發方面的競爭力。RX72M解決方案（包括合作伙伴MW）旨在解決廣泛的工業以太網協議，包括EtherCAT、OPC UA、PROFINET RT、EtherNet/IP、Modbus TCP等，為工業設計提供高靈活性和多種網絡選項。

圖7 RX72M工業網絡解決方案

RX72M網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，支持單協議和多協議通信選項，以及各種工廠自動化使用示例。基于單協議的設備為客戶提供了緊湊的尺寸和低廉的成本，而基于多協議的設備提供了獨特的環境。瑞薩電子工業以太網MCU和MPU設備提供冗余性，并支持定制產品的開發。瑞薩工業以太網支持的MCU/MPU設備使得利用任何層通信成為可能。我們的一些多協議設備可以同時運行兩種工業協議。因此，客戶可以開發工業以太網協議之間的網關，使瑞薩電子成為開發強大的工業網絡解決方案的理想選擇。

瑞薩工廠自動化

瑞薩工業網絡

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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、可持續發展的未來。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知識，提供完整的半導體解決方案。成功產品組合加速汽車、工業、基礎設施及物聯網應用上市，賦能數十億聯網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