過去這段日子以來，無論走到何處，似乎都可以聽到有人談論工業物聯網(IIoT)，甚至從這項趨勢衍生而出的特定應用，也開始在各個產業嶄露頭角。舉例來說，工業4.0就是專為生產設備而發展出來的概念，在現有的電網裡，智慧電網就是工業物聯網的實作案例；而數位油井，則是石化及天然氣產業的工業物聯網實作案例。儘管這些衍生自工業物聯網的應用各自擁有專屬詞彙與流程，但是其中所涵蓋的技術和優勢大致相同。另外，雖然各大企業無不積極導入工業物聯網以求發揮其潛能，但是要精準預測500億個裝置能否在2020年順利完成串連，仍還比較難預測[1]。根據專家預估，2015至2025年之間部署的全新聯網裝置當中，有將近半數將來自工業領域[2]。也就是說，在工廠、測試實驗室、電網、煉油廠，乃至於基礎建設中實作工業物聯網的作業，都是由工程師與科學家擔任主導角色。
過去這段日子以來，無論走到何處，似乎都可以聽到有人談論工業物聯網(IIoT)，甚至從這項趨勢衍生而出的特定應用，也開始在各個產業嶄露頭角。舉例來說，工業4.0就是專為生產設備而發展出來的概念，在現有的電網裡，智慧電網就是工業物聯網的實作案例；而數位油井，則是石化及天然氣產業的工業物聯網實作案例。儘管這些衍生自工業物聯網的應用各自擁有專屬詞彙與流程，但是其中所涵蓋的技術和優勢大致相同。另外，雖然各大企業無不積極導入工業物聯網以求發揮其潛能，但是要精準預測500億個裝置能否在2020年順利完成串連，仍還比較難預測[1]。根據專家預估，2015至2025年之間部署的全新聯網裝置當中，有將近半數將來自工業領域[2]。也就是說，在工廠、測試實驗室、電網、煉油廠，乃至於基礎建設中實作工業物聯網的作業，都是由工程師與科學家擔任主導角色。
在工業物聯網方面，工程師預期可獲得三大優勢：
強化IIoT效能 AI走入邊緣裝置
為了實現工業物聯網的優勢，設計團隊必須仰賴多項核心技術。無論是建置線上監控系統、智慧型製造機台，還是測試實體或電機系統，將人工智慧導入邊緣裝置將是共通的需求。當系統越來越複雜，需要即時做出的決定也隨之增加。例如，對風力渦輪葉片進行結構測試以取得高解析度類比波形資料的功能，對了解系統特性而言，就具有重要意義。同時，需要處理這項資料以對負責啟動葉片的控制系統提供資料，進而確保在各種已知狀態下進行測試。因此，當專家預估所有在工業物聯網建立的資料中，至少有40%會在邊緣網路進行儲存、處理、分析並執行時，也就不足為奇了[3]。為了最大化效能並減少不必要的資料傳輸，使用者必須將決策權下放到部署在各個「物件」上或周邊的邊緣節點(圖1)。
圖1 2019年時，在物聯網所建立的資料當中，至少會有40%在邊緣網路進行儲存、處理、分析與執行。
然而，當儀器商準備實作這類系統時，全新的挑戰卻又開始出現，尤其當系統數量及其感測器數量開始增加時。延續先前提到的結構測試範例，為了充分了解風力渦輪葉片在各種狀況下的運作效能，需要為整個結構配備感測器，以便量測應變、壓力、負載與轉矩。這些感測器全都會產生類比訊號，而為了獲得最深入的洞察分析，需要取得高速狀態下的高解析度量測資料。在這類大規模應用案例當中，可能需要為整個系統配備上百個，甚至上千個感測器。在取得這些資料之後，必須有能力即時進行處理，以便為控制系統的所有致動器提供設定點。
故在嘗試開發這類系統時，將碰到下列幾個挑戰：
這些挑戰會隨著系統數量成長而變得更加嚴峻，因此必須在應用中增加更多量測與控制系統。讓眾多量測系統彼此之間，以及讓許多控制系統彼此之間同步運作，並不是一項新的挑戰。時至今日，通常只需要採用訊號架構的方式，利用實體線路來路由常見時脈，或將訊號路由至分散式節點上，就能達成這個目標。然而，過程中仍舊免不了會出現距離、擴充性與雜訊風險的限制。另一個選擇，則是運用基於乙太網路等常見標準所建置的通訊協定，乙太網路提供高度開放性與互通性，但對頻寬延遲或確定性卻未設限制。為解決這項挑戰，乙太網路的客製化版本因此開發而生，通常又稱為Hard Real-Time乙太網路。EtherCAT、PROFINET與EtherNet/IP都是最具代表性的範例。這些客製化的乙太網路版本，提供即時效能與同級最佳的延遲與控制功能。可惜的是，由於每個版本都對網路基礎架構上的軟硬體做了些許修改，因此不但讓成本增加，也讓來自不同廠商的不同裝置無法在同個網路上一起運作。
而為解決這項同步化挑戰，一項全新技術現已正式問世，稱為時效性網路(Time Sensitive Networking, TSN)。
解決網路同步傳輸挑戰 TSN標準強勢進駐
TSN是標準乙太網路的革新版本，不但具備標準乙太網路的開放性與互通性，對Hard Real-Time乙太網路提供的延遲與頻寬，也能提供限制與保證。具體而言，TSN提供了三大關鍵元件：時脈同步化功能、流量排程功能，以及系統設定功能。所有的同步化功能都是基於IEEE 1588精準時序協定設定檔而設，透過網路提供亞微秒等級的同步化效能。此外，流量排程與系統設定則有助於驅動精確的資料通訊，以便使用者可在網路上排程並設定具時效性資料(例如控制訊號)的優先處理順序。
TSN的重點之一，在於它能彙整具時效性的流量與其他乙太網路流量。由於TSN是乙太網路標準的功能之一，因此時間同步化與精確通訊等新功能可以透過同一個網路，與其他所有網路通訊作業共同執行。這代表，量測或控制系統上的單一連接埠可以執行精確通訊，同時更新遠端使用者介面終端並支援檔案傳輸作業。在製程與機械控制等多項工業應用中，TSN是關鍵的強化功能；而在這些應用當中，為因應封閉式迴圈控制需求，必須具備低通訊延遲與最少的抖動。此外，透過乙太網路進行的時脈同步化，能夠藉由大幅減少訊號架構同步化所使用的配線，有效減少監控應用程式與實際系統測試(像是剛剛提到的結構範例)中的一般配線需要；因此不需要犧牲可靠度，就能獲得更簡單且具成本效益的解決方案。
目前已有相關業者，如量測儀器商國家儀器(NI)推出具備TSN功能的產品，有部分已將最新版控制器整合到其CompactRIO平台之中。使用者可以將這些新版控制器整合到TSN網路中，支援資料同步化及精確通訊功能，使其成為理想的工業物聯邊緣節點(圖2)。
圖2 時效性網路是標準乙太網路的革新版，內含時脈同步化、流量排程與系統設定等功能。
TSN的推出代表著在解決整個系統同步化的挑戰上，邁出了一大步，負責開發這些系統的工程師們，也很關心能否在維護或提升可靠度之際，同時減少整體系統複雜度。由於量測與控制作業通常都在個別的子系統上進行，因此各項工具、程式設計環境，乃至於資料收集機制，彼此並未互連。像是可程式邏輯控制器(PLC)之類的控制系統，通常使用IEC 61131-3語言進行程式設計，並使用單點資料進行操作。雖然這類型資料很適合用於控制應用，但卻無法用來取得深入分析；而要做到這點，需要仰賴波形資料。同理，量測系統採用波形資料來提供所需的深入分析，但卻不適合用於傳送單點控制訊號，或對這類訊號提供精確反應。
就前述的功能特性而言，量測與控制系統之間的分野非常清楚。過去數年來，可看到量測與控制系統正緩慢整合中。新功能陸續新增到兩種系統上，比方說，有越來越多的量測系統能執行部分控制功能，反之亦然。隨著最新版CompactRIO控制器的問世(圖3)，突顯功能整合的重要突破，除了能在精確控制應用中充分發揮即時處理器與FPGA的效能之外，新版控制器還能透過易用且功能強大的NI-DAQmx驅動程式進行程式設計，並應用在各種量測應用上。NI-DAQmx不只是基本的硬體驅動程式。它可透過內含的設定與除錯工具、逐步設定的公用程式與功能強大的直覺式API，大幅提升產能與效能。工程師可以運用NI-DAQmx API建立客製化量表、展現強大的時序與同步化功能，並對個別作業執行進階監控。使用者可以透過數百款範例、活躍的社群與世界級的當地支援，從概念構思迅速邁向部署，進而同步化高通道數系統、建立以決策為基礎的記錄器，或自動化實驗室實驗。透過這項整合技術，就能定義同一件硬體與單一軟體工具鏈的用途，以便在邊緣網路直接擷取、處理、記錄與反應內送的資料，最終達到降低系統成本與複雜度的目的。
圖3 最新版的CompactRIO控制器不但具備TSN功能，更支援同步化與精確通訊。
(本文作者為NI資深產品行銷經理)