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擁抱下世代IIoT潛力技術 TSN攜手OPC UA打通端到雲

2019-10-29
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。

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