工业4.0下的工业网络通讯

时间： 2022-12-01 来源：Renesas官网

技术问答

通过互联的工业设备和增强的计算，工业4.0使利益相关者能够优化设施和提高生产力。第四次工业革命是指由于互联和智能自动化引发21世纪技术、工业、社会模式和程序的快速转变。这是工业发展的一个新篇章，可与第一、第二和第三次工业革命相媲美的进步所推动。这些发明结合了物理、数字和生活世界的功能性和安全性。这是一次协助利益相关者利用融合技术创造一个可持续的、以人为本的未来的机遇。工业4.0的定义是互操作性、透明性、技术帮助和分散决策。图1描述了如何识别和实施工业4.0，在工业4.0中，IIoT允许设备链接，创建真实世界数据的虚拟副本，使操作员能够可视化/分析流程，并尽可以自主地做出执行任务的决策。

图1、工业4.0的设计原则

第四次工业革命，或称工业4.0，为制造业的长期问题带来了答案，例如，如何在降低风险和成本的同时提高产量和质量。它展示了如何考虑增加资产价值和提高利用率的许多不同方法。

在工业4.0的帮助下，智能机器将变得更加智能，工厂将变得更加高效，流程将变得不再那么浪费，生产线将变得更有适应性，生产力将全面提高。它建立在智能、安全和无缝连接的基础上，利用协作机器人和移动通信，支持快速物料处理，监控工厂车间的每一个细节，并通过预测性维护来延长机器的寿命。这些可能性是通过智能化、使用高质量、安全、和无缝连接来实现的。。总体而言，制造设施将受益匪浅，因为它们可以实现整体自动化的终级目标。

要想成功实现向工业4.0的转型，大量的前沿技术需要投入使用。被称为工业4.0的制造业数字革命成功的关键是让各种相关技术高效地协同作业。

通信、传感、控制、安全和电源管理是确保工厂车间高效工作环境的五种主要技术类别（图 2）。工业 4.0 的概念是在设想一个通信不中断的场景，并分别利用每个领域进行创新。

图2、工业自动化推动者

采用先进的传感、控制和通信的新系统，是实现智能工厂颠覆性技术中的典范。功能安全和智能电源管理解决方案的集成，使人们能够安全工作并提高系统效率。标准化和通用规范是确保一致性和实现工业4.0合规性的唯一途径。提高系统的效率和互操作性，并让它们在运行中学习，是对制造商长期竞争力的巨大促进。

在上述所有场景中，您需要有效的方法来快速、可靠和安全地连接子系统/设备。在瑞萨，我们提供一系列专门设计于工业环境的连接解决方案。因此，它们提供安全可靠的覆盖范围、高设备密度、可准确预测的延迟以及机器、流程和数据的完全可见性。

工业通信是工业系统的基本组成部分，它允许单个控制单元通过网络管理多个输入/输出模块，而不考虑系统中使用的其他技术的性质。工厂的网络控制架构由电机控制、运动控制、机器人和经典可编程逻辑控制器(PLC)等应用组成。

工业网络包括广泛的技术，如工业以太网(如 EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、CC-Link IE、Modbus-TCP、PowerLink、Sercos III、OPC-UA)和现场总线(如Profibus、Modbus RTU/ASCII、DeviceNet、CANopen、Asi-5、IO-Link)。在工业自动化中，PLC、SCADA和DCS是控制的三种重要方式。有现场仪表、智能现场设备、监控计算机、分布式输入/输出控制器和HMI系统。为了设备之间相互连接和通话，这些设备需要强大而有效的网络或通信规则。它们将现场设备、控制器和PC连接在一起，以便通过有线或无线的方式发送数据和控制信号。现场总线是另一种本地控制区域网络，用于自动化程度较高的复杂工业系统。控制器与智能传感器、制动器和转换器之间的数字链路，可以双向传输。Profibus和基金会现场总线是过程自动化中使用的两种现场总线技术。工业现场设备和I/O模块可以通过各种通信网络连接。根据所使用的协议，有许多不同种类的通信网络。

工业以太网是一种在工业环境中使用不同协议的以太网网络，协议有Ethernet/IP、Profinet、Modbus-TCP、EtherCAT、PowerLink、OPCUA、CC-Link IE等，提供确定性和实时控制。随着数字技术的发展，像现场总线这样的通信技术已经接管了自动化领域。这是因为它可以同时与多台设备通话，从而节省资金，使用更少的资源，并减少大量工作。以下是控制系统目前使用的一些重要工业通信网络的概述。

图3、常用的工业网络技术

工业4.0和工业物联网(IIoT)的实施需要有一个核心前提，那就是保证不间断的实时通信。在瑞萨，我们提供各种MCU和MPU设备以及所有必要的构建模块，以开发涵盖领先工业通信协议的广泛网络解决方案，包括EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、CC-Link、Modbus等。我们的设备解决方案，如RA、RX MCU、RZ MPU或RENESAS R-IN engine(“R-IN engine”)解决方案，附带专用的软件支持套件，使设计和工程团队能够专注于应用开发，以加快上市速度。

下图很好地说明了现场总线和工业以太网如何在工业网络设置中相互覆盖的部分。

图4、工业网络：现场总线和工业以太网交互

上述情景清楚地证明，推动工业网络市场扩张的关键是拥有一个互联的工业网络，从而实现新时代制造业的生产力和可持续性目标。我们知道，可靠的工业网络至关重要，因为工厂一直在寻找提高产量、可持续发展，并能同时提高质量、适应性和网络安全的最佳途径。就网络拓扑而言，市场增长是显而易见的，而成熟的现场总线技术的复兴也尤其令人兴奋。

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