直到 20 世纪 80 年代中期，许多传感器和执行器仍采用模拟电路。像 4-20mA 电流环路这样的系统不仅能够沿长距离电缆提供精确测量，还能为设备供电。由于其高抗噪性，它们也提高了安全性，因为电缆断裂很容易被检测到——这对于危险工艺的安全安装至关重要。.
这项技术的缺点之一是每个传感器和执行器都需要一根电缆，导致工厂和车间内需要安装大量并行电缆。降低布线的复杂性和成本推动了网络技术的发展。这些技术最终融合了集成到低成本微控制器中的串行接口 (UART) 以及合适的收发器（例如 RS-485）或 CAN（控制器局域网）技术，后者广泛应用于汽车行业（图 1）。.
第一代网络在物理层（OSI模型的第一层）和数据链路层（OSI模型的第二层）采用了不同的技术，因此如果没有某种网关，系统之间很少能兼容。然而，它们的主要特点包括：即使在数百米的距离上也能保持稳健性、明确的等待时间、确定性以及符合安全要求。.
这些现场总线技术已在全球数百万个节点上部署，但其物理层技术却停滞不前，从而限制了可用带宽。与此同时，工业自动化系统变得日益复杂，集成了大规模数据传感设备（例如摄像头），这些设备被整合到处理环境中的实时控制回路中。由于已安装的物理层种类繁多，因此无法在同一套布线上部署不同的系统。.
以太网技术成熟，广泛应用于楼宇和工厂的IT部署，它提供高带宽，并且拥有众多供应商，能够提供从连接器、线缆到芯片等各种所需组件。大约在2005年，基于以太网的解决方案开始出现在市场上，这些方案大多围绕单一的物理层（PHY）展开。然而，OSI模型的其他部分却存在严重的延迟、带宽预留、可靠性和安全性问题。因此，基于以太网物理层的二层方案应运而生，但工业自动化系统再次面临不同供应商解决方案之间的不兼容性问题（图2）。.
告别专有解决方案：
工业自动化并非唯一渴望采用以太网的市场领域，但如何满足其技术规范仍存在疑问。专业音频视频和汽车行业也热衷于利用以太网的优势，前提是能够解决延迟和确定性等问题。此外，专有的第二代工业以太网系统基于 100 Mbps 的物理层和相应的笨重线缆构建，而其他市场领域早已实现了千兆速度。
阻碍以太网在工业领域普及的主要问题，如今已在一套名为时间敏感网络（TSN）的通用标准中得到解决。作为一项标准，TSN 将使从芯片到线缆等各种商业解决方案能够相互兼容，以满足众多具有类似需求的工业领域的需求。TSN 还设想使用物理层来实现高达 1 Gb/s 的数据传输速度，并采用单对以太网（SPE）技术，从而显著减少布线空间和成本。.
以下是一些主要的TSN标准，它们提供工业网络所需的同步和超时功能：
• IEEE 802.1AS – 为时间敏感型应用
提供定时和同步功能。该标准通过一种机制在主网络节点和其他节点之间共享同步数据，以提供一个公共参考时钟作为公共同步基准。它是IEEE 1588规范的一部分。• IEEE 802.1Qbv – 该标准通过在定义的时间窗口内阻止低优先级流量，进一步改进了应用端到端超时机制。这使得它能够应用于诸如使用基于时间的调度器的闭环以太网控制等应用。
• IEEE 802.1Qbu – 该标准定义了第2层OSI前瞻方法，从而在IEEE 802.3br下支持穿插快速流量（IET）。这可以减少混合流量环境中某些流量的等待时间，例如拦截长时间的低优先级流量。
这些变化，以及根据 TSN 的 IEC/IEEE 60802 工业自动化规范中的应用对这些标准进行分组的努力，应该有助于形成第三代工业网络技术的基础。.
采用 TSN 的工业网络：
紧凑、高度集成的片上系统 (SoC) 解决方案是现代化改造可利用 TSN 的理想之选。TC9562 就是这样一款器件，它集成了 PCIe 接口，可将大型 SoC 的功能扩展到 PLC（可编程逻辑控制器）或作为工业 PC 的插件卡（图 3）。它具备 TSN 的所有功能，从 IEEE 802.1AS 同步到具有六个队列的 IEEE 802.1Qbv 时间感知整形器 (TAS)，以及跨所有队列的灵活缓冲区管理。硬件对所有门控的支持，可实现对 TAS 在单个机器周期内使用的已定义时隙的精细控制。IEEE 802.1Qbu 和 IEEE 802.3br 增加了预测功能，以确保优先处理时间关键型数据包。
运行所需的固件在初始化期间通过 PCIe 下载，这也允许未来的更新，例如对相关 TSN 标准的更改或批准（图 4）。支持 SGMII、RGMII、RMII 和 MII 接口，分别实现 10 Mb/s、100 Mb/s 和 1000 Mb/s 的速度，以及 SPE T1 物理层，以适应更轻便、更简单的布线趋势。.
可以使用 PCIe 参考卡对该设备进行初步评估，该参考卡可与运行 Fedora 27 的工业 PC 配合使用。东芝提供全套驱动程序和其他实用程序，以及示例应用程序和 TSN 演示（图 5）。这些示例包括 TAS 的运行示例，以便可视化预测能力，并且可以使用 iPerf 等标准工具分析其对传输速度的影响。.
随着标准化的物理层和二层以太网实现满足工业自动化的实时需求，人们自然会好奇第四代工业网络技术将会带来怎样的变革。与其他领域一样，OSI模型的上层也将朝着标准化方向发展。诸如OPC基金会之类的组织已经成立了一个工作组，致力于解决现场级通信（FLC）问题，目标是创建一个具有统一架构的机器间通信协议（OPC UA）。 
这种开放的跨平台方法，加上强大的安全性，有望极大地简化工程师目前面临的诸多复杂性。安装新设备时，机器只需使用简单、标准化的数据结构声明其功能（例如机器人的自由度、最大有效载荷等），其他系统即可快速理解并将其功能集成到当前任务中。
摘要：
尽管以太网已开始在工业自动化系统的物理层取代许多传统网络技术，但针对二层（网络层）提出的各种解决方案旨在解决以太网的传统弱点，这些弱点限制了其在许多应用中的普及。TSN 的出现增加了必要的标准化，以确保不同供应商设备的互操作性，从而降低成本。像 TC9562 这样与开源软件兼容的设备，为采用 TSN 构建工业网络提供了良好的基础。
本文由东芝电子欧洲有限公司提供
