工业联网标准各据山头 新一代TSN揭竿而起

作者：卢佳柔 新通讯 2016 年 9 月号 187 期《 封面故事 》

工业以太网标准百花齐放，新秀TSN(Time Sensitive Networking)魅力登场。工业以太网在工业领域已有多年历史，但至今联网的通讯协议依旧各自为王，导致工厂内无可以兼容共通的标准规范；为改善此现况，近期工业因特网联盟(IIC)集结各大厂商力推TSN，揭开工业联网崭新一页。

工业自动化(Industrial Automation)商机声势看涨。近年工业4.0和工业物联网(IIoT)话题延烧，吸引各大厂商纷纷关注到工业产业自动化的趋势，为网络设备商、芯片商与现场可编程门阵列(FPGA)等相关供应链厂商带来庞大商机。

同时，当前制造业生产管理对于效能和良率要求倍增，使得工业应用领域的通讯带宽需求日益攀升，期望透过工厂撷取的高信息量分析大数据，推动新一代智能制造应用。有鉴于此，各大厂商纷纷加入制定新一代TSN通讯协议标准，推动工业以太网迈向Gbit/s时代。

高带宽需求萌芽　工业以太网迈向Gbit/s世代

图1　瑞萨电子营销事业部泛用市场营销部经理黎柏钧表示，工业联网逐渐迈向高带宽需求，使得TSN标准的发展潜力一片看好。

瑞萨电子(Renesas Electronics)营销事业部泛用市场营销部经理黎柏钧(图1)表示，目前主流的工业以太网通讯标准包含EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP与PROFINET等，而这些通讯协议皆仅能以10?100Mbit/s以太网络(Ethernet)为基础，且这些协议背后皆有各自支持的厂商，难以形成统一标准。

相较之下，黎柏钧分析，新推出的TSN通讯标准，具备高数据量传输与优先权设定功能等优势，将有望成为工业通讯应用的明日之星。他透露，现有的工业以太网协议未来将会成为TSN网络之上的专属(Proprietary)网络协议，因此这类协议依旧会存在，但彼此之间不会互相取代的问题产生(图2)。

图2　TSN与以太网络和无线通信架构关联图

黎柏钧指出，既有的工业以太网络对现有工业设备已绰绰有余，但若是要实现未来工业4.0，以云端服务器控管全球工业系统的愿景，则需倚靠TSN这种Gbit/s等级的传输量才足够。

现阶段TSN尚有许多标准未底定，但已有国家仪器(NI)、Bosch Rexroth、思科(Cisco)、英特尔(Intel)、库卡(KUKA)、施耐德电机(Schneider Electric)、TTTech等大厂正携手工业因特网联盟开发TSN测试台(Testbed)。

黎柏钧谈到，TSN本身定义的带宽较大，若以1Gbit/s为例，可达现有工业以太网的10倍之多。换言之，若原来的数据只能切50个讯框(Frame)存取数据，透过TSN可提升至500个讯框。因此，TSN可以支持所有通讯协议，同时在TSN的讯框之中，可定义针对像是马达、传感器与控制器等不同组件的数据区块。

另一方面，现今TCP/IP已主宰了许多通讯协议标准。黎柏钧分析，未来TSN要掌握工业通讯协议的主导权并非不可能。以TCP/IP来说，主要是以实现全球的IP透过TCP/IP皆可以撷取数据为诉求；时至今日，工业对于优先权设定的要求与日俱增，举例来说，假设定义一个内含五颗马达的机器手臂，这些马达的数据交换须优先处理，以实现小局域网络的实时传输功能，达到精确的控制。而这样的发展趋势，对于专注于所有数据交换优先权顺序传输的TSN工业以太网络实为一大优势。

图3　赛灵思ISM技术营销资深经理罗霖认为，EtherCAT/POWERLINK两种通讯协议，在中国政府推动下声势看涨。

赛灵思(Xilinx)工业、科学、医疗(ISM)技术营销资深经理罗霖(图3)表示，TSN是为了解决工业领域中的互操作性孕育而生的标准协议，若开发商可遵循此标准，厂商设备之间可以进行非常好的互连互通。再者TSN为IEEE提出的一个国际标准，背后有许多国际工业应用大厂如西门子(Siemens)、通用电气(GE)和ABB等公司的支持，因此该公司认为TSN未来发展前景一片光明。

罗霖指出，看好TSN的潜力，该公司预计将于2016年年底推出支持TSN的相关芯片及参考设计，以加速实现工业物联网产业。他分析，FPGA具备可编程的优势，在设计上具备高度的弹性，因此虽然TSN目前标准尚未底定，但依然可随时在FPGA进行修改，再者，现阶段尚未有较好的特殊应用集成威廉希尔官方网站 (ASIC)可支持TSN标准，为FPGA厂商发展的一大优势。

整体而言，黎柏钧透露，TSN标准将有望于2020年底定。现在各大厂商皆引颈期盼未来可将所有工业物联网信息全部整合到此新的通讯协议之内，若全球工业通讯协议都基于TSN标准，即可很容易地透过集中式的云端服务器，以单一系统支持工厂网络讯息。

Cisco携手NI　共推TSN先期技术平台
为加快TSN标准制定的速度，国家仪器日前推出TSN的先期技术平台，以便长期支持开发同步化与通讯作业的全新标准技术。在思科和英特尔的协力合作之下，国家仪器协助客户打造分布式系统，针对分布式控制与量测循环，执行同步化I/O、程序代码与精确的通讯作业，而这些作业都能在以太网络上完成。

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)电力与能源系统组长Mark Buckner表示，橡树岭国家实验室正努力找出方案，以便解决加速部署分布式可再生能源而对全球电网稳定性与控制所带来的挑战，与国家仪器和思科合作后，该公司发现TSN可提供绝佳的微电网协调与控制，供电系统因而可以更快恢复正常运作。

TSN能够在标准以太网络上建立分布式、可同步化的Hard Real-Time系统。这些系统使用同样的架构执行Real-Time控制与传递所有标准信息科技(IT)数据，驱动着控制、量测、设定、人机接口(UI)与档案交换架构的整合。其网络整合、安全控制流量与高效能的特性，可能会彻底改变系统的设计与维护。

先期技术平台包含全新的CompactRIO控制器、具备Intel Atom处理器与支持TSN的Intel i210 NIC，能够提供速度更快、能源消耗更低、更具成本效益的解决方案。这些控制器透过LabVIEW系统设计软件与网络保持时间同步，并可在Real-Time处理器与FPGA运作的程序代码上显示时间LabVIEW的设计以时间做为核心概念；透过网络上多个系统的网络传输排程，可帮助用户紧密整合讯号处理、控制算法与I/O时序。

事实上，目前已有许多客户运用此项TSN技术，例如，亚琛工业大学(RWTH Aachen University)的机台工具与制造工程实验室，改良了新一代计算机数值控制的机台制作技术；EUV Tech开发了创新的半导体处理机台；橡树岭国家实验室则得以执行未来电网的研究。

国家仪器参与AVnu联盟、IEEE 802.1、IEEE 1588、因特网工程任务小组与OPC基金会等多个标准组织，藉以统合与业界应用链接的知识，致力在标准整合式以太网络上，针对精确通讯与同步化时序，创造出一套共享的方法。

除了新兴的TSN通讯标准之外，既有的工业以太网发展趋势亦不容错过。毕竟TSN技术预计须等到2020年方能大举问世。

网络在智能工厂中扮演举足轻重的角色，各种传感器和设备机台都需要透过工业网络互相链接，才能实现智慧工厂的愿景。由以太网络协议衍生出来的工业以太网络协议种类繁多，其中又以获得中国政府大力支持的EtherCAT和POWERLINK在亚洲市场最受欢迎。

中国政府带头冲　EtherCAT/POWERLINK潜力十足
罗霖表示，EtherCAT与POWERLINK等两项通讯协议目前亚洲的主流标准协议，特别是在机器人、连接行动运算(Connected Mobile Computing, CMC)的运动控制(Motion Control)以及电力线通讯(PLC)等领域，应用最为普遍。加上中国政府正极力促成EtherCAT与POWERLINK等两项通讯协议，将该协议订立成为推荐型标准，其后劲凌厉且实力还未完全展现。

罗霖进一步指出，POWERLINK具备开源版本，可提供原始码，因此开发者可自行实现联网功能；而EtherCAT早期推广良好，许多控制器、服务器与I/O设备开发商已相继支持此协议，一旦这些接口设备种类越来越多，开发者采用该标准也会随之而增。换言之，这两项标准具备开放与生态系统完整等优势。

相较之下，欧美地区则以洛克威尔自动化(Rockwell Automation)提倡的Ethernet/IP及西门子主推的PROFINET为主。罗霖认为，两个协议背后主要是单一厂商在推动，所以较为封闭，采用的人数不多。此外，PROFINET的通讯协议需搭配ASIC芯片，对开发商来说，进入门坎较高且受到更多限制。

有鉴于此，罗霖透露，该公司非常看好EtherCAT与POWERLINK两项通讯协议，而现在已有非常多工业应用厂商采用该公司支持EtherCAT与POWERLINK的FPGA，例如台达、研华、上银、大银等厂商，皆采用其FPGA实现相关产品设计。

另一方面，在工业物联网领域，网络安全防护可说是所有开发商不得不重视的一大问题。罗霖表示，该公司新推出的Zynq系列，提升系统整合度与硬件层的优化。该系列提供加密引擎的功能，从装置开启到运用的过程，皆须经过加密认证才得以使用。

目前认证方面有一些技术，例如针对加密可以确保只有获得授权的人能存取编码数据，并在通讯堆栈中许多阶层进行，包括以太网络层--802.11AE MAC Security(MACSec)。802.11AE MAC Security(MACSec)标准使用802.1x进行安全密钥交换，为以太网络提供MAC等级的加密与讯息验证，可确保节点的可信度。

除了在硬件层进行安全防护外，Xilinx战略与市场营销高级副总裁Steve Glaser指出，目前该公司正积极参与工业因特网联盟事务。工业因特网联盟一共推出14个实验基地，而该公司就已参与6个实验基地，近期更新增2个参与计划，其中有一项即是与安全相关的应用。

不过除了EtherCAT和POWERLINK之外，四零四科技(MOXA)工业以太网络事业处产品营销部经理陈建铭表示，在工业控制市场，Modbux/TCP、Ethernet/IP与PROFINET的市场亦不容小觑，毕竟Modbux/TCP在市场已普及许久，加上Ethernet/IP与PROFINET两项通讯协议背后有自动化大厂支撑，其市场占有率还在水平之上。

黎柏钧分析，EtherCAT、POWERLINK与Modbux/TCP受欢迎的主要原因在于协议为开放式架构，采免费授权的方式经营，因此市场成长快速，市场出货量庞大；相较之下，Ethernet/IP和PROFINET有大型系统整合商的奥援，在中大型系统领域较有发展机会，整体而言，两类型的营业额相差不远。

不过黎柏钧强调，即便EtherCAT和POWERLINK市场成长很快，倘若无大厂在背后支持，其成长必定会受到限制。

五大工业联网组件要求缺一不可

图4　意法半导体亚太区资深产品营销经理杨正廉表示，设备商选用组件时，非常看重组件的供货周期以及产品稳定度与性能。

意法半导体(ST)亚太区资深产品营销经理杨正廉(图4)表示，通常工业领域开发商选择相关的应用组件时，有五大主要的组件考虑因素，包含产品稳定性、产品质量、产品性能、产品口碑是否值得信赖以及稳定的供货保证。

杨正廉谈到，工业控制的产品生命周期高达十年，加上工业开发的产品从设计到完成开发再由大客户验证的过程，须耗费长达一年至一年半的时间，若供货时间过短，则不符合成本效益。有鉴于此，提供稳定的供货来源极为重要。

罗霖认为，组件供货商须提供15?20年的产品供货时间，除此之外，同时要求组件通过严格的测试认证，如IEC503。而技术方面，性能/功耗、外围可支持的I/O接口多寡与开发难度亦为考虑重点。

陈建铭指出，该公司在选用工业设备相关组件时，首要考虑组件厂商产品可供应的时间，并要求符合工业规范的认证芯片；再者，看重芯片厂商的服务，以确保可提供终端客户深度分析的测试报告。

图5　MOXA亚太区事业处***暨俄罗斯业务部协理孙崇腾指出，工业设备商的质量及服务，往往比价格更重要。

另一方面，针对设备厂商来说，MOXA亚太区事业处***暨俄罗斯业务部协理孙崇腾(图5)指出，终端厂商通常要求设备商的产品须具备良好的质量与服务，同时要提供相关的技术支持服务，并须具备产品的多样性，再者才是价格考虑的因素。

冲刺工业物联网　首要三大阻碍待解决
根据2014年世界经济william hill官网 发表的工业网络调查报告指出，工业在思考导入或升级至工业4.0或物联网的考虑有三，首先，是对于互操作性与标准平台的选择无所适从；其次为网络安全防护措施的问题；最后是投资报酬的不确定性，导致旧式设备的升级举步维艰。

事实上，在2016年汉诺威工业博览会(Hannover Messe)上，美国工业因特网联盟已与德国工业4.0平台，针对工业4.0定义工业网络参考架构(IIRA)(图6)，进而建立清晰的蓝图以确保未来的互操作性。

图6　工业网络参考架构图

MOXA亚太区事业处市场开发部经理吕百舟表示，IIRA针对工业4.0分成三层式体系结构，第一层称之为Edge Tier，负责搜集所有终端联网装置，而后将数据传送至第二层即Platform Tier，做云端系统的分析，最后将分析后的数据数据提供至第三层Enterprise Tier；而MOXA为网络连接设备商，主要负责将Edge Tier部分，协助有效地将可靠又有用的信息传送至Platform Tier。

吕百舟指出，工业物联网所涵盖的领域广泛，且各行各业的需求皆有不同，因此该公司正积极与系统整合商合作，一方面改善网络传输的问题，二方面更加深入了解客户的应用需求，进而打造高效能与高可靠性的联网设备。

另一方面，陈建铭分析，进入到工业物联网领域，所需要支持的网络协议种类繁多，分为有线/无线的传输类型，而这两大类型底下又分支成各式各样的标准，进而延伸出多样化的专属数据通讯格式类型，导致工业生产在线，在安装与维护上困难重重。不过，他表示，在今年的汉诺威工业博览会上，该公司看到一个新兴的数据通讯格式--OPC UA正在成长茁壮。

陈建铭进一步说明，各个设备厂商以前皆各自采用不同的通讯格式，随着工业物联网概念兴起，设备商也逐渐形成共识，开始共同研拟一致的通讯格式，虽然目前尚难预测哪一个阵营会夺得主流宝座，不过，目前OPC UA是探讨较多的通讯格式，再者，MQTT与RESTful也为常见的通讯格式。

整体而言，在工业物联网领域，主要是以控制为导向的，比如说有很多的传感器、云端、工业网络和协议，都要实现互联，在这个过程当中，必须支持任意互联，同时加强安全性和保密性。因为对于物联网来说，网络安全可以说是所有应用都将面临的头号威胁。

陈建铭谈到，该公司针对网络安全主要透过软件提供防火墙服务，让使用者可做更深层的设定，如让使用的公司自行规范使用者权力。他指出，若要达到实时的工业控制，须采取分布式安全监控模式，将监控权分散到各个设备管理者身上，以实现安全又可靠的远程控制需求，尤其是在艰困的联网环境底下更是如此。

除此之外，联网设备还须符合工业等级的网络安全标准，如工业自动化的ISA99与IEC 62443；电力应用的标准，如NERC CIP及IEC 62351等。
陈建铭表示，IEC 62443的安全规范，根据不同领域的开发商定义了相对应的规范，包含设备商、应用系统整合商(System Integrator, SI)、服务供货商与业者本身的政策管理与权限修改规范等。

孙崇腾表示，该公司的网络设备主要提供给在艰困运作环境下的工业领域，如工厂自动化、轨道交通、智能交控、油/气厂与海底等工业环境，因此不仅须做出坚固的产品，其产品更须通过各种领域的不同认证，因此门坎相当高。

孙崇腾透露，目前该公司已有多项产品经过不同认证，同时亦提供客制化产品，以因应少量多样的联网需求；配合服务的厂商包含台电、台北/高雄捷运、西门子、ABB等厂商。

整体而言，吕百舟强调，要建构一个完善的工业自动化或工业物联网环境，非单一厂商之力得以完成，须结合上、中、下游厂商之力，方能打造出良好的工业环境，实现最高效能的智能生产模式。