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。

羅霖指出，看好TSN的潛力，該公司預計將于2016年年底推出支持TSN的相關芯片及參考設計，以加速實現工業物聯網產業。他分析，FPGA具備可編程的優勢，在設計上具備高度的彈性，因此雖然TSN目前標準尚未底定，但依然可隨時在FPGA進行修改，再者，現階段尚未有較好的特殊應用集成電路(ASIC)可支持TSN標準，為FPGA廠商發展的一大優勢。

整體而言，黎柏鈞透露，TSN標準將有望于2020年底定。現在各大廠商皆引頸期盼未來可將所有工業物聯網信息全部整合到此新的通訊協議之內，若全球工業通訊協議都基于TSN標準，即可很容易地透過集中式的云端服務器，以單一系統支持工廠網絡訊息。

Cisco攜手NI　共推TSN先期技術平臺
為加快TSN標準制定的速度，國家儀器日前推出TSN的先期技術平臺，以便長期支持開發同步化與通訊作業的全新標準技術。在思科和英特爾的協力合作之下，國家儀器協助客戶打造分布式系統，針對分布式控制與量測循環，執行同步化I/O、程序代碼與精確的通訊作業，而這些作業都能在以太網絡上完成。

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)電力與能源系統組長Mark Buckner表示，橡樹嶺國家實驗室正努力找出方案，以便解決加速部署分布式可再生能源而對全球電網穩定性與控制所帶來的挑戰，與國家儀器和思科合作后，該公司發現TSN可提供絕佳的微電網協調與控制，供電系統因而可以更快恢復正常運作。

TSN能夠在標準以太網絡上建立分布式、可同步化的Hard Real-Time系統。這些系統使用同樣的架構執行Real-Time控制與傳遞所有標準信息科技(IT)數據，驅動著控制、量測、設定、人機接口(UI)與檔案交換架構的整合。其網絡整合、安全控制流量與高效能的特性，可能會徹底改變系統的設計與維護。

先期技術平臺包含全新的CompactRIO控制器、具備Intel Atom處理器與支持TSN的Intel i210 NIC，能夠提供速度更快、能源消耗更低、更具成本效益的解決方案。這些控制器透過LabVIEW系統設計軟件與網絡保持時間同步，并可在Real-Time處理器與FPGA運作的程序代碼上顯示時間LabVIEW的設計以時間做為核心概念；透過網絡上多個系統的網絡傳輸排程，可幫助用戶緊密整合訊號處理、控制算法與I/O時序。

事實上，目前已有許多客戶運用此項TSN技術，例如，亞琛工業大學(RWTH Aachen University)的機臺工具與制造工程實驗室，改良了新一代計算機數值控制的機臺制作技術；EUV Tech開發了創新的半導體處理機臺；橡樹嶺國家實驗室則得以執行未來電網的研究。

國家儀器參與AVnu聯盟、IEEE 802.1、IEEE 1588、因特網工程任務小組與OPC基金會等多個標準組織，藉以統合與業界應用鏈接的知識，致力在標準整合式以太網絡上，針對精確通訊與同步化時序，創造出一套共享的方法。

除了新興的TSN通訊標準之外，既有的工業以太網發展趨勢亦不容錯過。畢竟TSN技術預計須等到2020年方能大舉問世。

網絡在智能工廠中扮演舉足輕重的角色，各種傳感器和設備機臺都需要透過工業網絡互相鏈接，才能實現智慧工廠的愿景。由以太網絡協議衍生出來的工業以太網絡協議種類繁多，其中又以獲得中國政府大力支持的EtherCAT和POWERLINK在亞洲市場最受歡迎。

中國政府帶頭沖　EtherCAT/POWERLINK潛力十足
羅霖表示，EtherCAT與POWERLINK等兩項通訊協議目前亞洲的主流標準協議，特別是在機器人、連接行動運算(Connected Mobile Computing, CMC)的運動控制(Motion Control)以及電力線通訊(PLC)等領域，應用最為普遍。加上中國政府正極力促成EtherCAT與POWERLINK等兩項通訊協議，將該協議訂立成為推薦型標準，其后勁凌厲且實力還未完全展現。

羅霖進一步指出，POWERLINK具備開源版本，可提供原始碼，因此開發者可自行實現聯網功能；而EtherCAT早期推廣良好，許多控制器、服務器與I/O設備開發商已相繼支持此協議，一旦這些接口設備種類越來越多，開發者采用該標準也會隨之而增。換言之，這兩項標準具備開放與生態系統完整等優勢。

相較之下，歐美地區則以洛克威爾自動化(Rockwell Automation)提倡的Ethernet/IP及西門子主推的PROFINET為主。羅霖認為，兩個協議背后主要是單一廠商在推動，所以較為封閉，采用的人數不多。此外，PROFINET的通訊協議需搭配ASIC芯片，對開發商來說，進入門坎較高且受到更多限制。

有鑒于此，羅霖透露，該公司非常看好EtherCAT與POWERLINK兩項通訊協議，而現在已有非常多工業應用廠商采用該公司支持EtherCAT與POWERLINK的FPGA，例如臺達、研華、上銀、大銀等廠商，皆采用其FPGA實現相關產品設計。

另一方面，在工業物聯網領域，網絡安全防護可說是所有開發商不得不重視的一大問題。羅霖表示，該公司新推出的Zynq系列，提升系統整合度與硬件層的優化。該系列提供加密引擎的功能，從裝置開啟到運用的過程，皆須經過加密認證才得以使用。

目前認證方面有一些技術，例如針對加密可以確保只有獲得授權的人能存取編碼數據，并在通訊堆棧中許多階層進行，包括以太網絡層--802.11AE MAC Security(MACSec)。802.11AE MAC Security(MACSec)標準使用802.1x進行安全密鑰交換，為以太網絡提供MAC等級的加密與訊息驗證，可確保節點的可信度。

除了在硬件層進行安全防護外，Xilinx戰略與市場營銷高級副總裁Steve Glaser指出，目前該公司正積極參與工業因特網聯盟事務。工業因特網聯盟一共推出14個實驗基地，而該公司就已參與6個實驗基地，近期更新增2個參與計劃，其中有一項即是與安全相關的應用。

不過除了EtherCAT和POWERLINK之外，四零四科技(MOXA)工業以太網絡事業處產品營銷部經理陳建銘表示，在工業控制市場，Modbux/TCP、Ethernet/IP與PROFINET的市場亦不容小覷，畢竟Modbux/TCP在市場已普及許久，加上Ethernet/IP與PROFINET兩項通訊協議背后有自動化大廠支撐，其市場占有率還在水平之上。

黎柏鈞分析，EtherCAT、POWERLINK與Modbux/TCP受歡迎的主要原因在于協議為開放式架構，采免費授權的方式經營，因此市場成長快速，市場出貨量龐大；相較之下，Ethernet/IP和PROFINET有大型系統整合商的奧援，在中大型系統領域較有發展機會，整體而言，兩類型的營業額相差不遠。

不過黎柏鈞強調，即便EtherCAT和POWERLINK市場成長很快，倘若無大廠在背后支持，其成長必定會受到限制。

五大工業聯網組件要求缺一不可

圖4　意法半導體亞太區資深產品營銷經理楊正廉表示，設備商選用組件時，非常看重組件的供貨周期以及產品穩定度與性能。

意法半導體(ST)亞太區資深產品營銷經理楊正廉(圖4)表示，通常工業領域開發商選擇相關的應用組件時，有五大主要的組件考慮因素，包含產品穩定性、產品質量、產品性能、產品口碑是否值得信賴以及穩定的供貨保證。

楊正廉談到，工業控制的產品生命周期高達十年，加上工業開發的產品從設計到完成開發再由大客戶驗證的過程，須耗費長達一年至一年半的時間，若供貨時間過短，則不符合成本效益。有鑒于此，提供穩定的供貨來源極為重要。

羅霖認為，組件供貨商須提供15?20年的產品供貨時間，除此之外，同時要求組件通過嚴格的測試認證，如IEC503。而技術方面，性能/功耗、外圍可支持的I/O接口多寡與開發難度亦為考慮重點。

陳建銘指出，該公司在選用工業設備相關組件時，首要考慮組件廠商產品可供應的時間，并要求符合工業規范的認證芯片；再者，看重芯片廠商的服務，以確保可提供終端客戶深度分析的測試報告。

圖5　MOXA亞太區事業處***暨俄羅斯業務部協理孫崇騰指出，工業設備商的質量及服務，往往比價格更重要。

另一方面，針對設備廠商來說，MOXA亞太區事業處***暨俄羅斯業務部協理孫崇騰(圖5)指出，終端廠商通常要求設備商的產品須具備良好的質量與服務，同時要提供相關的技術支持服務，并須具備產品的多樣性，再者才是價格考慮的因素。

沖刺工業物聯網　首要三大阻礙待解決
根據2014年世界經濟論壇發表的工業網絡調查報告指出，工業在思考導入或升級至工業4.0或物聯網的考慮有三，首先，是對于互操作性與標準平臺的選擇無所適從；其次為網絡安全防護措施的問題；最后是投資報酬的不確定性，導致舊式設備的升級舉步維艱。

事實上，在2016年漢諾威工業博覽會(Hannover Messe)上，美國工業因特網聯盟已與德國工業4.0平臺，針對工業4.0定義工業網絡參考架構(IIRA)(圖6)，進而建立清晰的藍圖以確保未來的互操作性。

圖6　工業網絡參考架構圖

MOXA亞太區事業處市場開發部經理呂百舟表示，IIRA針對工業4.0分成三層式體系結構，第一層稱之為Edge Tier，負責搜集所有終端聯網裝置，而后將數據傳送至第二層即Platform Tier，做云端系統的分析，最后將分析后的數據數據提供至第三層Enterprise Tier；而MOXA為網絡連接設備商，主要負責將Edge Tier部分，協助有效地將可靠又有用的信息傳送至Platform Tier。

呂百舟指出，工業物聯網所涵蓋的領域廣泛，且各行各業的需求皆有不同，因此該公司正積極與系統整合商合作，一方面改善網絡傳輸的問題，二方面更加深入了解客戶的應用需求，進而打造高效能與高可靠性的聯網設備。

另一方面，陳建銘分析，進入到工業物聯網領域，所需要支持的網絡協議種類繁多，分為有線/無線的傳輸類型，而這兩大類型底下又分支成各式各樣的標準，進而延伸出多樣化的專屬數據通訊格式類型，導致工業生產在線，在安裝與維護上困難重重。不過，他表示，在今年的漢諾威工業博覽會上，該公司看到一個新興的數據通訊格式--OPC UA正在成長茁壯。

陳建銘進一步說明，各個設備廠商以前皆各自采用不同的通訊格式，隨著工業物聯網概念興起，設備商也逐漸形成共識，開始共同研擬一致的通訊格式，雖然目前尚難預測哪一個陣營會奪得主流寶座，不過，目前OPC UA是探討較多的通訊格式，再者，MQTT與RESTful也為常見的通訊格式。

整體而言，在工業物聯網領域，主要是以控制為導向的，比如說有很多的傳感器、云端、工業網絡和協議，都要實現互聯，在這個過程當中，必須支持任意互聯，同時加強安全性和保密性。因為對于物聯網來說，網絡安全可以說是所有應用都將面臨的頭號威脅。

陳建銘談到，該公司針對網絡安全主要透過軟件提供防火墻服務，讓使用者可做更深層的設定，如讓使用的公司自行規范使用者權力。他指出，若要達到實時的工業控制，須采取分布式安全監控模式，將監控權分散到各個設備管理者身上，以實現安全又可靠的遠程控制需求，尤其是在艱困的聯網環境底下更是如此。

除此之外，聯網設備還須符合工業等級的網絡安全標準，如工業自動化的ISA99與IEC 62443；電力應用的標準，如NERC CIP及IEC 62351等。
陳建銘表示，IEC 62443的安全規范，根據不同領域的開發商定義了相對應的規范，包含設備商、應用系統整合商(System Integrator, SI)、服務供貨商與業者本身的政策管理與權限修改規范等。

孫崇騰表示，該公司的網絡設備主要提供給在艱困運作環境下的工業領域，如工廠自動化、軌道交通、智能交控、油/氣廠與海底等工業環境，因此不僅須做出堅固的產品，其產品更須通過各種領域的不同認證，因此門坎相當高。

孫崇騰透露，目前該公司已有多項產品經過不同認證，同時亦提供客制化產品，以因應少量多樣的聯網需求；配合服務的廠商包含臺電、臺北/高雄捷運、西門子、ABB等廠商。

整體而言，呂百舟強調，要建構一個完善的工業自動化或工業物聯網環境，非單一廠商之力得以完成，須結合上、中、下游廠商之力，方能打造出良好的工業環境，實現最高效能的智能生產模式。