強化即時性/大規模連結　工業聯網加速融合IT與OT

迎接工業4.0的轉型浪潮，深具遠見的製造商已開始打造未來的智慧製造。這些企業需融合資訊技術(Information Technology, IT)與操作技術(Operational Technology, OT)這兩個領域，以建構新一代智慧系統，進而促進生產、改善營運、強化客戶支援，並且分析工業物聯網(IIoT)提供的即時資料。 

圖1 恩智浦數位網路事業部資深行銷經理張嘉桓指出，該公司的SoC處理器已布局TSN協定。

然而，許多業者在融合IT、OT這兩個領域的網路時，無可避免會遭遇許多困難。對製造業而言，IT系統不但包含通用系統，如財務、電子郵件及客戶關係管理系統，還包括製造業專用的管理規畫和物流系統。這些系統都以電腦為基礎，沒有絕對必要的即時性條件限制，因此IT網路可以採用普通乙太網路(Ethernet)技術。 

相對的，OT領域包含將原料轉換為產品的系統，以及用於流程監控和工作流程管理的即時嵌入式系統。過往在機器間及自動控制系統中，主要使用各種專屬規格的現場匯流排，如今，工廠可使用工業乙太網路技術，利用標準乙太網路提供即時回應，並使用舊式的工業通訊協定執行操作。 

「然而，遺憾的是，許多工業乙太網路協定既不能彼此互用，也不能與標準乙太網路互用，因此限制了技術供應商的大規模發展，減緩了創新的步伐。」恩智浦半導體數位網路(Digital Networking)事業部資深行銷經理張嘉桓(圖1)進一步說明，「工廠中的單台機器可能連接不同的工業乙太網路，每種網路運行特定的協定，具備不同的控制功能。因此製造商必須部署閘道，以便在不同網路之間傳輸資料，或將資料傳輸至IT系統。」(圖2) 

圖2 工廠機器連接不同的工業乙太網路，運行特定協定，具備不同的控制功能。

資料來源：AVNU

具高頻寬及優先權特性　TSN受青睞 

瑞薩電子(Renesas Electronics)行銷事業部泛用市場行銷部經理黎柏均(圖3)也指出，「目前主流的工業乙太網通訊標準，大多僅能以10~100Mbit/s乙太網路為基礎，頻寬不足以支援新製造技術的需求，例如高畫質影片等，且這些協定背後皆有各自支持的廠商，難以形成統一標準。」更重要的需求則是，工業控制訊號需要極低延遲、精準同步的確定性即時傳輸。 

圖3 瑞薩電子行銷事業部泛用市場行銷部經理黎柏均預期TSN標準可望於2020年底定。

對此，時效性網路(Time Sensitive Networking, TSN)以其所具備的高資料量傳輸與優先權設定功能等優勢，有可能成為未來的統一標準。TSN的起源，來自於IEEE考量音訊/視訊橋接技術(Audio/Video Bridging; AVB)在工業應用的可能性。TSN目前已是IEEE標準協會的工作項目之一，目的在於為現有的802.1與802.3乙太網路標準增加一系列的擴展功能，進一步確保其時效性。 

TSN可在同一網路中支援傳統的IT設備與OT設備，且能提供10億位元(Gigabit)頻寬，是現有工業乙太網的10倍之多。基本上，對現在的工業設備來說，既有的工業乙太網路已足夠，但是如果要實現未來工業4.0的願景，也就是利用雲端伺服器控管全球工業系統，則必須仰賴TSN所提供的Gbit/s等級傳輸量，TSN可達到將近數十微秒的精準傳輸時間，以及數十毫微秒的節點時間同步效能。 

此外，對於智慧工廠的運作而言，TSN的優先權設定功能也至關重要。特定機器的資料交換可能需優先處理，以實現小區域內網路的即時傳輸功能，如此才能進行精確的控制，這時，TSN的優先權設定就大有用處。在安全性方面，TSN可保護關鍵的控制傳輸作業，並且納入頂層的IT安全規範。分段、效能保護和時間組合功能(Temporal Composability)，還能為安全框架增加更多保護層。 

目前正在進行標準化過程的TSN，其特性包括時間與同步、訊框優先適用(Frame Pre-emption)、流量調度(Scheduled Traffic)、增強串流保留協定(SRP)、逐一串流過濾與管理(Per-Stream Filtering and Policing)以及訊框複製與消除等功能。 

TSN前景佳　廠商提前布局

目前已有許多工業設備供應商、IT廠商和晶片供應商加入IEEE 802和新成立的AVnu聯盟，合作更新標準乙太網路協定，並且針對IIoT應用的高時效性資料制定了低延遲資料傳輸標準。AVnu聯盟和Broadcom、Cisco、Intel、NI等成員企業合作，希望透過認證來催生可互通的生態系統。 

TSN標準目前尚未底定，但已有許多相關業者展開布局。例如，恩智浦的QorIQ Layerscape LS1028A處理器就整合了新一代工業系統所需的技術，包括時效性網路、高效能處理、硬體加速的使用者介面以及高安全性。張嘉桓表示，「在工業物聯網的關鍵網路技術已經確定的情況下，客戶可以著重關注OT-IT融合和工業4.0帶來的策略效益。」 

此SoC整合四埠10億位元乙太網路(4-port Gigabit Ethernet)交換器以及另外兩個運行速度高達2.5Gbit/s的乙太網路埠，都支援TSN協定。兩個功能強大的64位元ARM CPU為現代工業應用和RTOS(如具有優先即時修補檔的Linux、Xenomai Linux、Mentor Graphics的Nucleus以及Wind River的VxWorks)提供所需的運算效能。 

該處理器的GPU和LCD介面支援高解析度顯示和觸控式螢幕輸入。適用於LS1028A的恩智浦軟體中包含一個開源工業Linux SDK，能夠提供即時效能，並且支援TSN標準。重要的是，該處理器整合恩智浦可信賴的平台架構，幫助實現可靠的物聯網安全性。 

瑞薩電子則是以該公司的R-IN引擎平台支援TSN技術。R-IN引擎是工業乙太網路通訊的加速器，可執行工業乙太網路處理多重通訊協定工業乙太網路，支援的通訊協定包括EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET等，新一代的R-IN平台並將支援TSN。 

「可以預見工業聯網所需的頻寬愈來愈大，因此TSN標準躍為主流的可能性極高。」黎柏均強調，「為了迎接成長潛力可期的TSN市場，瑞薩已做好準備，現在只待TSN標準的確立，就能推出相應方案，我們認為TSN標準將有望於2020年底定。」此前，瑞薩電子已展示運用於車載網路及工業聯網的TSN方案。  

網狀網路　實現大規模連結

未來，在網路底層這個部份，TSN會越來越受到重視，而在工廠內部機器間的通訊、感測器網路所採用的無線通訊技術則是百花齊放。在工業4.0架構中，各種無線通訊技術與工業乙太網路相輔相成。 

圖4 Silicon Labs物聯網策略行銷總監Raman Sharma認為，工業4.0的各種無線技術將彼此互補。

Silicon Labs物聯網策略行銷總監Raman Sharma(圖4)表示，「在工業4.0網路中，各種無線通訊技術都有其各自定位，彼此取代的狀況並不常發生。」 

整體而言，工業4.0利用廣泛的工業物聯網(IIoT)技術來實現智慧工廠。IIoT利用無線和有線網路、感測器資料、機器對機器(M2M)通信，機器學習和基於雲的分析來實現自動化製造。鑑於IIoT系統和網路的複雜性，使用不同協定和架構的設備和機器之間的互操作性是IIoT系統開發人員的主要關注點。諸如工業網際網路聯盟(IIC)等標準組織正在通過促進開放的互操作性和共同架構的開發來解決這些問題。 

IIoT涉及多樣化的應用和市場，Silicon Labs為IIoT提供無線連接技術，包括Thread、Zigbee、Bluetooth等。這些低功耗網路技術中各有其優點和最佳用例，但共通處之一就是皆能支援網狀網路，包括Bluetooth SIG已發布的Bluetooth Mesh。 

Zigbee、Thread、Bluetooth各擅勝場 

Zigbee具備網狀網路及自我修復的特性，因此在數量較多的機台或是公共設施應用上較為合適。另外，為了讓Zigbee透過IP的方式傳送資料，因此Thread聯盟將IP加入Zigbee技術中。Raman Sharma進一步說明，「Zigbee推出十多年，已有豐富的使用案例，可以支援許多不同的設備類型，從燈泡、開關到門鎖等。」至於Thread則是基於6LoWPAN和IPv6技術，使網路上的數百個終端節點可以IP尋址。「雖然Thread缺少應用層，但它利用Zigbee dotdot來實現設備到設備和網路互操作性。」 

Bluetooth則是易於使用的無線協定，非常適合工業無線連接。Bluetooth技術在2.4 GHz ISM頻段工作，除了提供低功耗外，還可以實現多種無線鏈路，快速連接，並且比許多其他無線技術更容易配置和設置。此外，Bluetooth SIG發布的Bluetooth Mesh開始支援網狀網路，能提供多對多裝置傳輸，並特別提升建置大範圍裝置網路的通訊效能，適用於建築物自動化、感測器網路應用，能讓多個，甚至成千上萬個裝置在穩定、安全的環境下傳輸資料。 

值得一提的是，Bluetooth網路的優勢在於無處不在和知名度上。根據ABI研究公司的數據，Bluetooth至今已連結82億台設備，預計到2021年將有六成的無線設備皆支援Bluetooth。向下相容的Bluetooth具有許多版本，從傳統的BR/EDR到低功耗(LE)，最新的Bluetooth Mesh則為大型網路帶來了「多對多」通訊能力。 

Raman Sharma表示，「Silicon Labs的無線SoC建立在支援多種標準和專有協定的通用平台上，所以能提供充分的靈活性，為IIoT實現各種無線通訊技術。」Silicon Labs提供各種的微控制器(MCU)和無線系統單晶片，具有不同級別的硬體整合和連接，可以協助開發人員降低系統成本和複雜性。 

Silicon Labs的Wireless Gecko SoC就為IIoT應用提供了一系列連接選項，包括在2.4 GHz和Sub-GHz頻率上運行的Thread、Zigbee、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Mesh和其他許多專有協定等。此SoC支援多協定操作，允許連接的設備在運行時動態切換不同的協定，便於應用程序開發人員設計具有良好互操作性和連接性的設備。透過感測節點的連接無礙，以及IT與OT的融合，工業聯網已邁入新階段，工業4.0不再遙不可及。