作者：盧佳柔 新通訊 2016 年 9 月號 187 期《 封面故事 》

工業以太網標準百花齊放，新秀TSN(Time Sensitive Networking)魅力登場。工業以太網在工業領域已有多年歷史，但至今聯網的通訊協議依舊各自為王，導致工廠內無可以兼容共通的標準規范；為改善此現況，近期工業因特網聯盟(IIC)集結各大廠商力推TSN，揭開工業聯網嶄新一頁。

工業自動化(Industrial Automation)商機聲勢看漲。近年工業4.0和工業物聯網(IIoT)話題延燒，吸引各大廠商紛紛關注到工業產業自動化的趨勢，為網絡設備商、芯片商與現場可編程門陣列(FPGA)等相關供應鏈廠商帶來龐大商機。

同時，當前制造業生產管理對于效能和良率要求倍增，使得工業應用領域的通訊帶寬需求日益攀升，期望透過工廠擷取的高信息量分析大數據，推動新一代智能制造應用。有鑒于此，各大廠商紛紛加入制定新一代TSN通訊協議標準，推動工業以太網邁向Gbit/s時代。

高帶寬需求萌芽　工業以太網邁向Gbit/s世代

圖1　瑞薩電子營銷事業部泛用市場營銷部經理黎柏鈞表示，工業聯網逐漸邁向高帶寬需求，使得TSN標準的發展潛力一片看好。

瑞薩電子(Renesas Electronics)營銷事業部泛用市場營銷部經理黎柏鈞(圖1)表示，目前主流的工業以太網通訊標準包含EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP與PROFINET等，而這些通訊協議皆僅能以10?100Mbit/s以太網絡(Ethernet)為基礎，且這些協議背后皆有各自支持的廠商，難以形成統一標準。

相較之下，黎柏鈞分析，新推出的TSN通訊標準，具備高數據量傳輸與優先權設定功能等優勢，將有望成為工業通訊應用的明日之星。他透露，現有的工業以太網協議未來將會成為TSN網絡之上的專屬(Proprietary)網絡協議，因此這類協議依舊會存在，但彼此之間不會互相取代的問題產生(圖2)。

圖2　TSN與以太網絡和無線通信架構關聯圖

黎柏鈞指出，既有的工業以太網絡對現有工業設備已綽綽有余，但若是要實現未來工業4.0，以云端服務器控管全球工業系統的愿景，則需倚靠TSN這種Gbit/s等級的傳輸量才足夠。

現階段TSN尚有許多標準未底定，但已有國家儀器(NI)、Bosch Rexroth、思科(Cisco)、英特爾(Intel)、庫卡(KUKA)、施耐德電機(Schneider Electric)、TTTech等大廠正攜手工業因特網聯盟開發TSN測試臺(Testbed)。

黎柏鈞談到，TSN本身定義的帶寬較大，若以1Gbit/s為例，可達現有工業以太網的10倍之多。換言之，若原來的數據只能切50個訊框(Frame)存取數據，透過TSN可提升至500個訊框。因此，TSN可以支持所有通訊協議，同時在TSN的訊框之中，可定義針對像是馬達、傳感器與控制器等不同組件的數據區塊。

另一方面，現今TCP/IP已主宰了許多通訊協議標準。黎柏鈞分析，未來TSN要掌握工業通訊協議的主導權并非不可能。以TCP/IP來說，主要是以實現全球的IP透過TCP/IP皆可以擷取數據為訴求；時至今日，工業對于優先權設定的要求與日俱增，舉例來說，假設定義一個內含五顆馬達的機器手臂，這些馬達的數據交換須優先處理，以實現小局域網絡的實時傳輸功能，達到精確的控制。而這樣的發展趨勢，對于專注于所有數據交換優先權順序傳輸的TSN工業以太網絡實為一大優勢。

圖3　賽靈思ISM技術營銷資深經理羅霖認為，EtherCAT/POWERLINK兩種通訊協議，在中國政府推動下聲勢看漲。

賽靈思(Xilinx)工業、科學、醫療(ISM)技術營銷資深經理羅霖(圖3)表示，TSN是為了解決工業領域中的互操作性孕育而生的標準協議，若開發商可遵循此標準，廠商設備之間可以進行非常好的互連互通。再者TSN為IEEE提出的一個國際標準，背后有許多國際工業應用大廠如西門子(Siemens)、通用電氣(GE)和ABB等公司的支持，因此該公司認為TSN未來發展前景一片光明。