工業製造正面臨數位化智慧轉型的階段，既有的聯網技術已不敷使用，促使自動化大廠積極尋求下世代IIoT的潛力技術，而TSN+OPC UA的技術就是在這波浪潮下，眾所注目的新星，可看到SIEMENS、Bosch Rexroth、Rockwell AB等均已推出進入測試階段的方案。
工業物聯網(IIoT)正在改變工業製造的日常運營模式，無論是透過預測分析來檢測煉油廠管道內的腐蝕、即時提供生產數據以發現工廠的額外產能，或是將營運和服務數據反饋到產品設計週期等各種面向，在在顯示機器對機器(M2M)通訊與工業大數據資料分析兩者的相互作用，為工業製造帶來生產力及效率的升級。
恩智浦(NXP)數位網路事業部全球產品經理張嘉恆(圖1)表示，工業乙太網協定的互通性有限，加上眾多專屬(Proprietary)標準充斥在IIoT環境，同時基於IT系統的標準乙太網無法提供控制即時性能系統需求，使得工業4.0發展受到阻礙。不過這樣的現況，也間接讓TSN技術有發展的機會。
圖1 恩智浦數位網路事業部全球產品經理張嘉恆表示，工業4.0對即時與互通性需求間接提供TSN嶄露頭角的發展契機。
突破聯網互通瓶頸 TSN重要性日增
回溯TSN技術源自於IEEE在2004年成立了一個小組，開發了一系列音訊/影像橋接(AVB)標準，用於將網路上的設備同步到同一時間基準(借用IEEE 1588)、流量整形和接取控制。雖然不是完美適用於工業應用，這些標準提供了一個更精確地管理乙太網流量的架構。
IEEE協會認識到將AVB用於工業用途的潛力，將其名稱改為TSN並開始修訂802標準系列，以滿足工業需求和汽車應用，以及改進專業音訊/影像使用功能。新標準定義時間感知流量整形和策略，以啟用關鍵流量調度。為了便於調度，新標準啟用優先使用非關鍵訊框，冗餘網路路徑的新標準提高了網路可靠性。
張嘉恆強調，TSN的關鍵訴求在於「同一」網路的傳輸，但經過研發人員的設計，其調度機制也允許獲得較高的即時響應能力，在市場可以看到已開發的TSN測試下來抖動在50nS(抖動通常描述的是最差情況)，可以達到的最快週期是在10μS級，因此，對於現有的工業控制而言，TSN的即時性是完全可以保障的。
工業廠商現在可以部署單個IEEE標準乙太網網路承載著OT系統的時間關鍵控制流量和IT系統的常規流量。現今工業物聯網的關鍵網路技術已經定義，廠商可以專注於OT-IT融合和工業4.0的戰略優勢。
擁抱開放標準 TSN+OPC UA備受看好
賽靈思(Xilinx)工業、視覺、醫療及科學(ISM)市場經理翁羽翔(圖2)指出，傳統網路都是控制網路為主，所以需要長時間聯網與高可靠性，但相對而言對速率要求也就不高。然而工業4.0演進所需要的速率要求是傳統網路的幾十倍高，用以滿足視覺相關的感測器到工業網路。此需求刺激EtherCAT標準往更高速率的10Gbps前進，而另一方面，TSN+OPC UA的架構也備受看好，TSN主要進行現場總線的調度控制，而OPC UA則是負責應用層的控管，加強M2M之間的交流，後者可說是目前工業網路最具突破性的變革。
圖2 賽靈思工業、視覺、醫療及科學市場經理翁羽翔指出，EtherCAT與TSN高傳輸速率的能力，將為工業4.0帶來推波助瀾的發展。
四零四科技(MOXA)工業乙太網路產品事業處經理張功業(圖3)談到，近兩年來TSN技術成熟度逐漸蔓延，從國外看到控制大廠如西門子推出PROFINET over TSN+OPC UA，以及三菱發表CC-LINK IE over TSN+OPC UA，用意是為了讓所有工業聯網能共享一個網路，以便將現場級設備數據發送到SCADA、MES和ERP系統以及雲端系統。不過，其實工控環境中應用複雜性高，如何將這些不同技術套用在應用，是當前業內討論的重點，舉例來說，如何將TSN導入在CNC機台裡面，或者使用TSN進行機器手臂控制，跨廠商之間如何使用共同標準。換言之，即便目前技術已邁入成熟階段，但實際落地到應用，聯網組合(Portfolio)才是關鍵重點，也是因為如此，IEEE和IEC共同成立60802標準組織(Join Project)，討論TSN如何應用在各種不同領域。
圖3 MOXA工業乙太網路產品事業處經理張功業談到，IIoT為工控產業帶來極大變化，而核心的轉變在於數位轉型。
德州儀器(TI)半導體行銷與應用Sitara ARM MPU產品技術應用經理陳寬裕(圖4)提到，在工業應用環境，馬達與機器人應用對於即時反應的需求較高，故可能是TSN首先導入的應用。除了TSN之外，針對台灣工業應用市場EtherCAT的市場熱度也逐漸攀升，主因在於EhterCAT本身為開放標準，相對來說投資成本較低，對於大多數控制器、PC基礎類型的台灣廠商而言，在市場不確定性的前提下，不失為一項值得投入的方案之一。
圖4 TI半導體行銷與應用Sitara ARM MPU產品技術應用經理陳寬裕提到，對於台灣工業產業結構而言，EtherCAT技術不失為一項極具優勢潛力的標準。
翁羽翔分析，現今工業界討論較偏重區域網路的概念，雲端運算平台與數據傳輸極為重要，而TSN+OPC UA非常適用於跨平台整合應用，其可應用的廣度會更廣一些，相對而言，EtherCAT標準仍在制定當中，預估發展會晚一些，不過EtherCAT在傳統工業總線配線的滲透率較高，也成為該技術在工業應用環境的優勢之一，尚難預測哪一個標準陣營會奪得主流寶座。
整體而言，雖然EtherCAT與TSN皆是基於乙太網的通訊標準，不過EtherCAT是架構在原始的乙太網路骨幹上，使用專屬拓撲架構，無法一體適用於現有的乙太網路，還須透過閘道器(Gateway)切換網路協定；相較之下，TSN則可以使用既有的乙太網路及骨幹，可沿用原來的布線，若再搭配OPC UA則有望能以更加有效率的方式完成IT與OT之間的整合。換言之，底層可透過TSN技術串聯，而在應用層則是藉由OPC UA技術排除不同乙太網路之間藩籬，串聯所有工業物聯網不同裝置。
工業產品週期一般為15~20年以上，而TSN起步時間點約在2016年左右，發展到現在歷經三年時間，由此可知TSN還在早期階段，首先第一波產品將以交換產品與終端控制類型為主，而後有測試床做相應互連互通測試，打好TSN在工業環境的地基。總結來說，相較於傳統IIoT聯網技術，TSN面對的是數十倍的速率提升，實際上將需要許多產業鏈升級，包含晶片、傳輸產品、交換產品等各環節的提升，故仍須一段醞釀的時間。不過相較於以往的工業網路，TSN進展速度加快許多，在2016~2019年間陸續推出許多方案，加上傳統乙太網路與TSN技術的整合，預期TSN的推動速度將更甚以往。
張功業指出，工業物聯網對整體工控產業帶來極大變化，如同營運效益提升或者是創造新的商業模式。這之中核心轉變在於數位化轉型，當數位化形成後，方能將數位資料傳送到雲端，實現各種不同的加值應用，進而創造新的商業模式或提升生產效率。也因此從智慧工廠角度來看，意味著需要更多聯網設備產出各種數據資料，來創造更多數據分析的基底，而此趨勢也漸漸打破IT與OT之間的疆界。
消弭IT/OT分野 網路三大議題浮上檯面
面對IT與OT分野逐漸消弭，隨之而生的工業網路問題也浮上檯面，包含聚合(Convergence)、安全與管理問題，已成為不容忽視的重要挑戰。張功業談到，在工業自動化之前的製造環境IT與OT涇渭分明，工廠端所蒐集的資料基本上是隔離於外部聯網環境，較無安全上疑慮的問題，隨著IT與OT之間的聚合、各種應用及聯網技術的聚合下，所有數據資料皆須在同個平台上互連互通，安全問題也成為當務之急，與此同時，原本無須傷神的隔離設備，也在所有物件相互連接後，衍生出「管理」的全新挑戰。
甩開資安包袱 u-blox建立端到雲安全網
由於過去OT網路完全隔絕在外無須考慮安全問題，當IT與OT相連後，OT網路安全防護觀念如何建立？如何整合IT與OT的安全觀念？這是在IT與OT整合的另外一個層次問題。
u-blox台灣區總經理江敏楠(圖5)表示，如何有效地為設備提供安全防護措施是u-blox在快速發展物聯網業務中重要考量的問題。該公司在安全防護上採取從裝置與雲端雙管齊下的方式，以有效控制安全問題。換言之，u-blox在晶片、模組、韌體與雲端各方面針對安全性進行改造，以晶片端而言，晶片本身演算法若偵測到外部異常訊號干擾，就會發出警報使內部無法進行任何更動；個人裝置需要改動內部設定參數，皆須回到u-blox雲端平台下載編譯密碼鎖，才能執行參數變更。簡言之，u-blox的GPS和短距通訊晶片本身有特殊編碼方式，將資料傳到u-blox的雲端平台，評估資料是否屬於裝置使用者，若資料正確無誤，雲端才會提供一個密鑰讓使用者進行裝置更改。
圖5 u-blox台灣區總經理江敏楠表示，u-blox在安全防護上採取從雲到端一條龍式的防護措施，以有效控制安全問題。
相較於一般公共的雲端平台服務(如亞馬遜、Google)，其雲端主要訴求如何保護個資問題，但不保證裝置本身是否有被駭客入侵的可能；相較之下，u-blox提供的方案是保護雲端與個人裝置本身。不過，江敏楠也提到，從雲到端的安全防護方案挑戰在於，為確保雲端服務的可靠性，雲端須具備精密計算的能力。基於此，日前u-blox與知名的數位安全供應商Kudelski合作，並把IoT安全套件整合到多個u-blox產品線中。預期將實現高階設備保護和安全生命週期的管理，包括安全無線固件(FOTA)升級，以及安全通訊和應用數據保護。
整體而言，在智慧製造或智慧工廠中，數位化是關鍵因素但仍需時間耕耘，包含網路聚合、安全與實際落地到應用的問題皆有待克服。TSN在通訊與控制兩端都能滿足市場需求，未來1~2年間可預見功能持續強化的解決方案推出到市場上以滿足市場需求。