工業(yè)聯(lián)網(wǎng)標準各據(jù)山頭 新一代TSN揭竿而起 - 全文

瑞薩電子(Renesas Electronics)營銷事業(yè)部泛用市場營銷部經(jīng)理黎柏鈞(圖1)表示，目前主流的工業(yè)以太網(wǎng)通訊標準包含EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP與PROFINET等，而這些通訊協(xié)議皆僅能以10?100Mbit/s以太網(wǎng)絡(luò)(Ethernet)為基礎(chǔ)，且這些協(xié)議背后皆有各自支持的廠商，難以形成統(tǒng)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(shù)據(jù)量傳輸與優(yōu)先權(quán)設(shè)定功能等優(yōu)勢，將有望成為工業(yè)通訊應用的明日之星。他透露，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議未來將會成為TSN網(wǎng)絡(luò)之上的專屬(Proprietary)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此這類協(xié)議依舊會存在，但彼此之間不會互相取代的問題產(chǎn)生(圖2)。

圖2　TSN與以太網(wǎng)絡(luò)和無線通信架構(gòu)關(guān)聯(lián)圖

黎柏鈞指出，既有的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備已綽綽有余，但若是要實現(xiàn)未來工業(yè)4.0，以云端服務器控管全球工業(yè)系統(tǒng)的愿景，則需倚靠TSN這種Gbit/s等級的傳輸量才足夠。

現(xiàn)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(yè)因特網(wǎng)聯(lián)盟開發(fā)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(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)的10倍之多。換言之，若原來的數(shù)據(jù)只能切50個訊框(Frame)存取數(shù)據(jù)，透過TSN可提升至500個訊框。因此，TSN可以支持所有通訊協(xié)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(shù)據(jù)區(qū)塊。

另一方面，現(xiàn)今TCP/IP已主宰了許多通訊協(xié)議標準。黎柏鈞分析，未來TSN要掌握工業(yè)通訊協(xié)議的主導權(quán)并非不可能。以TCP/IP來說，主要是以實現(xiàn)全球的IP透過TCP/IP皆可以擷取數(shù)據(jù)為訴求；時至今日，工業(yè)對于優(yōu)先權(quán)設(shè)定的要求與日俱增，舉例來說，假設(shè)定義一個內(nèi)含五顆馬達的機器手臂，這些馬達的數(shù)據(jù)交換須優(yōu)先處理，以實現(xiàn)小局域網(wǎng)絡(luò)的實時傳輸功能，達到精確的控制。而這樣的發(fā)展趨勢，對于專注于所有數(shù)據(jù)交換優(yōu)先權(quán)順序傳輸?shù)腡SN工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實為一大優(yōu)勢。

圖3　賽靈思ISM技術(shù)營銷資深經(jīng)理羅霖認為，EtherCAT/POWERLINK兩種通訊協(xié)議，在中國政府推動下聲勢看漲。

賽靈思(Xilinx)工業(yè)、科學、醫(yī)療(ISM)技術(shù)營銷資深經(jīng)理羅霖(圖3)表示，TSN是為了解決工業(yè)領(lǐng)域中的互操作性孕育而生的標準協(xié)議，若開發(fā)商可遵循此標準，廠商設(shè)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(yè)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(fā)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(guān)芯片及參考設(shè)計，以加速實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。他分析，F(xiàn)PGA具備可編程的優(yōu)勢，在設(shè)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(xiàn)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(fā)展的一大優(yōu)勢。

整體而言，黎柏鈞透露，TSN標準將有望于2020年底定。現(xiàn)在各大廠商皆引頸期盼未來可將所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息全部整合到此新的通訊協(xié)議之內(nèi)，若全球工業(yè)通訊協(xié)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(tǒng)支持工廠網(wǎng)絡(luò)訊息。

Cisco攜手NI　共推TSN先期技術(shù)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(shù)平臺，以便長期支持開發(fā)同步化與通訊作業(yè)的全新標準技術(shù)。在思科和英特爾的協(xié)力合作之下，國家儀器協(xié)助客戶打造分布式系統(tǒng)，針對分布式控制與量測循環(huán)，執(zhí)行同步化I/O、程序代碼與精確的通訊作業(yè)，而這些作業(yè)都能在以太網(wǎng)絡(luò)上完成。

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)電力與能源系統(tǒng)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(wǎng)穩(wěn)定性與控制所帶來的挑戰(zhàn)，與國家儀器和思科合作后，該公司發(fā)現(xiàn)TSN可提供絕佳的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)與控制，供電系統(tǒng)因而可以更快恢復正常運作。

TSN能夠在標準以太網(wǎng)絡(luò)上建立分布式、可同步化的Hard Real-Time系統(tǒng)。這些系統(tǒng)使用同樣的架構(gòu)執(zhí)行Real-Time控制與傳遞所有標準信息科技(IT)數(shù)據(jù)，驅(qū)動著控制、量測、設(shè)定、人機接口(UI)與檔案交換架構(gòu)的整合。其網(wǎng)絡(luò)整合、安全控制流量與高效能的特性，可能會徹底改變系統(tǒng)的設(shè)計與維護。

先期技術(shù)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(tǒng)設(shè)計軟件與網(wǎng)絡(luò)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(shè)計以時間做為核心概念；透過網(wǎng)絡(luò)上多個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(shù)，例如，亞琛工業(yè)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(shù)值控制的機臺制作技術(shù)；EUV Tech開發(fā)了創(chuàng)新的半導體處理機臺；橡樹嶺國家實驗室則得以執(zhí)行未來電網(wǎng)的研究。

國家儀器參與AVnu聯(lián)盟、IEEE 802.1、IEEE 1588、因特網(wǎng)工程任務小組與OPC基金會等多個標準組織，藉以統(tǒng)合與業(yè)界應用鏈接的知識，致力在標準整合式以太網(wǎng)絡(luò)上，針對精確通訊與同步化時序，創(chuàng)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(yè)以太網(wǎng)發(fā)展趨勢亦不容錯過。畢竟TSN技術(shù)預計須等到2020年方能大舉問世。

網(wǎng)絡(luò)在智能工廠中扮演舉足輕重的角色，各種傳感器和設(shè)備機臺都需要透過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互相鏈接，才能實現(xiàn)智慧工廠的愿景。由以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議衍生出來的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xié)議目前亞洲的主流標準協(xié)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(lǐng)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(xié)議，將該協(xié)議訂立成為推薦型標準，其后勁凌厲且實力還未完全展現(xiàn)。

羅霖進一步指出，POWERLINK具備開源版本，可提供原始碼，因此開發(fā)者可自行實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能；而EtherCAT早期推廣良好，許多控制器、服務器與I/O設(shè)備開發(fā)商已相繼支持此協(xié)議，一旦這些接口設(shè)備種類越來越多，開發(fā)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(tài)系統(tǒng)完整等優(yōu)勢。

相較之下，歐美地區(qū)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(xié)議背后主要是單一廠商在推動，所以較為封閉，采用的人數(shù)不多。此外，PROFINET的通訊協(xié)議需搭配ASIC芯片，對開發(fā)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?？春肊therCAT與POWERLINK兩項通訊協(xié)議，而現(xiàn)在已有非常多工業(yè)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(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計。

另一方面，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)安全防護可說是所有開發(fā)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(tǒng)整合度與硬件層的優(yōu)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(jīng)過加密認證才得以使用。

目前認證方面有一些技術(shù)，例如針對加密可以確保只有獲得授權(quán)的人能存取編碼數(shù)據(jù)，并在通訊堆棧中許多階層進行，包括以太網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)提供MAC等級的加密與訊息驗證，可確保節(jié)點的可信度。

除了在硬件層進行安全防護外，Xilinx戰(zhàn)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(yè)因特網(wǎng)聯(lián)盟事務。工業(yè)因特網(wǎng)聯(lián)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(guān)的應用。

不過除了EtherCAT和POWERLINK之外，四零四科技(MOXA)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)事業(yè)處產(chǎn)品營銷部經(jīng)理陳建銘表示，在工業(yè)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(xié)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(xié)議為開放式架構(gòu)，采免費授權(quán)的方式經(jīng)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(tǒng)整合商的奧援，在中大型系統(tǒng)領(lǐng)域較有發(fā)展機會，整體而言，兩類型的營業(yè)額相差不遠。

不過黎柏鈞強調(diào)，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(yè)聯(lián)網(wǎng)組件要求缺一不可

圖4　意法半導體亞太區(qū)資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理楊正廉表示，設(shè)備商選用組件時，非?？粗亟M件的供貨周期以及產(chǎn)品穩(wěn)定度與性能。

意法半導體(ST)亞太區(qū)資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理楊正廉(圖4)表示，通常工業(yè)領(lǐng)域開發(fā)商選擇相關(guān)的應用組件時，有五大主要的組件考慮因素，包含產(chǎn)品穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品口碑是否值得信賴以及穩(wěn)定的供貨保證。

楊正廉談到，工業(yè)控制的產(chǎn)品生命周期高達十年，加上工業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品從設(shè)計到完成開發(fā)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(wěn)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(chǎn)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(shù)方面，性能/功耗、外圍可支持的I/O接口多寡與開發(fā)難度亦為考慮重點。

陳建銘指出，該公司在選用工業(yè)設(shè)備相關(guān)組件時，首要考慮組件廠商產(chǎn)品可供應的時間，并要求符合工業(yè)規(guī)范的認證芯片；再者，看重芯片廠商的服務，以確?？商峁┙K端客戶深度分析的測試報告。

圖5　MOXA亞太區(qū)事業(yè)處***暨俄羅斯業(yè)務部協(xié)理孫崇騰指出，工業(yè)設(shè)備商的質(zhì)量及服務，往往比價格更重要。

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

沖刺工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)　首要三大阻礙待解決
根據(jù)2014年世界經(jīng)濟論壇發(fā)表的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)查報告指出，工業(yè)在思考導入或升級至工業(yè)4.0或物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備的升級舉步維艱。

事實上，在2016年漢諾威工業(yè)博覽會(Hannover Messe)上，美國工業(yè)因特網(wǎng)聯(lián)盟已與德國工業(yè)4.0平臺，針對工業(yè)4.0定義工業(yè)網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)(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(yè)網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)圖

MOXA亞太區(qū)事業(yè)處市場開發(fā)部經(jīng)理呂百舟表示，IIRA針對工業(yè)4.0分成三層式體系結(jié)構(gòu)，第一層稱之為Edge Tier，負責搜集所有終端聯(lián)網(wǎng)裝置，而后將數(shù)據(jù)傳送至第二層即Platform Tier，做云端系統(tǒng)的分析，最后將分析后的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)提供至第三層Enterprise Tier；而MOXA為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備商，主要負責將Edge Tier部分，協(xié)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的領(lǐng)域廣泛，且各行各業(yè)的需求皆有不同，因此該公司正積極與系統(tǒng)整合商合作，一方面改善網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}，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(lián)網(wǎng)設(shè)備。

另一方面，陳建銘分析，進入到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，所需要支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(shù)據(jù)通訊格式類型，導致工業(yè)生產(chǎn)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(yè)博覽會上，該公司看到一個新興的數(shù)據(jù)通訊格式--OPC UA正在成長茁壯。

陳建銘進一步說明，各個設(shè)備廠商以前皆各自采用不同的通訊格式，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念興起，設(shè)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(yè)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，都要實現(xiàn)互聯(lián)，在這個過程當中，必須支持任意互聯(lián)，同時加強安全性和保密性。因為對于物聯(lián)網(wǎng)來說，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shè)定，如讓使用的公司自行規(guī)范使用者權(quán)力。他指出，若要達到實時的工業(yè)控制，須采取分布式安全監(jiān)控模式，將監(jiān)控權(quán)分散到各個設(shè)備管理者身上，以實現(xiàn)安全又可靠的遠程控制需求，尤其是在艱困的聯(lián)網(wǎng)環(huán)境底下更是如此。

除此之外，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還須符合工業(yè)等級的網(wǎng)絡(luò)安全標準，如工業(yè)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(guī)范，根據(jù)不同領(lǐng)域的開發(fā)商定義了相對應的規(guī)范，包含設(shè)備商、應用系統(tǒng)整合商(System Integrator, SI)、服務供貨商與業(yè)者本身的政策管理與權(quán)限修改規(guī)范等。

孫崇騰表示，該公司的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要提供給在艱困運作環(huán)境下的工業(yè)領(lǐng)域，如工廠自動化、軌道交通、智能交控、油/氣廠與海底等工業(yè)環(huán)境，因此不僅須做出堅固的產(chǎn)品，其產(chǎn)品更須通過各種領(lǐng)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(chǎn)品經(jīng)過不同認證，同時亦提供客制化產(chǎn)品，以因應少量多樣的聯(lián)網(wǎng)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(diào)，要建構(gòu)一個完善的工業(yè)自動化或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，非單一廠商之力得以完成，須結(jié)合上、中、下游廠商之力，方能打造出良好的工業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)最高效能的智能生產(chǎn)模式。