隨著製造與加工廠房積極推動數(shù)位化，第四波工業(yè)革命正改變我們製造產品的方式。過去數(shù)十年來，我們見識了自動化帶來的種種利益，如今包括增強資料(enhanced data)、機器學習、以及人工智慧等力量，都促使著這些系統(tǒng)的繼續(xù)發(fā)展。現(xiàn)今各種自主運算系統(tǒng)之間的聯(lián)繫越來越緊密，並對資料進行通訊、分析、解讀，以協(xié)助人員在工廠的其他領域做出明智決策與行動。智慧工廠計畫透過提高產出、資產使用率、以及整體生產力，從而創(chuàng)造出許多新的商業(yè)價值。它們除了運用新的資料流促成彈性與重新定義品質，還能協(xié)助減少消耗能源以及產生的廢棄物。從邊界到雲端全面連結著各種智慧系統(tǒng)，加上其可支援大規(guī)模客製化，使得製造環(huán)境更有效率。
藉由運用越來越資料做出更好的決策，即可預測出工業(yè)4.0的各種利益。在自動化系統(tǒng)的各部分及時存取資料以及供應資料，這些都須依賴連結網路。網路技術和製造商採用的流程與作業(yè)方法一樣，都必須持續(xù)演進以容納增加的資料量。智慧連網的自動化環(huán)境要求數(shù)位連結的系統(tǒng)、機具、機器人，都能創(chuàng)造與分享資訊。這意謂著，這些機器的通訊以及工廠的通訊網路不僅是企業(yè)的核心，也是促成我們對於工業(yè)4.0之弘遠目標的力量。
想要讓工廠內每個感測器與制動器之間的無縫連結，包含位在遠端元件的通訊，光是透過現(xiàn)有基礎設施基本上是不可能辦到的。未來，倘若資料以及整個企業(yè)層級的融合能提供做為決策依據的情資，那麼當前的挑戰(zhàn)就是尋找適合途徑，讓前所未有的龐大資料能順暢流動，而不會使傳輸網路癱瘓。然而衍生問題則是如何規(guī)劃、組建、以及部署工業(yè)通訊網路，能因應現(xiàn)今自動化環(huán)境以及未來虛擬工廠的各種需求。
為何選擇工業(yè)乙太網路?
隨著連結成為工業(yè)4.0願景的核心關鍵，因此必須先實現(xiàn)三個目標才能成為真正連網企業(yè)。第一，更高層級的資訊科技(IT)或企業(yè)基礎設施必須覆蓋廠區(qū)的控制網路。第二，廠區(qū)各種現(xiàn)有的網路或製造單元必須能並存與互通。第三，我們需要安全無虞地無縫連結到流程環(huán)境，從流程邊界一直到企業(yè)雲端。
為解決這些挑戰(zhàn)，我們需要採用一種能支援互通、擴充、以及傳輸距離等目標的基礎網路技術。乙太網路就是理想的解決方案，因為其廣泛部署，使得各界對它都已經極為瞭解。由於提供高頻寬以及能快速啟用，因此也被廣泛部署在所有製造環(huán)境的IT基礎設施之中。
| 圖2 : 逐漸融合的兩個世界:資訊科技(IT)與營運技術 (OT) |
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然而對於要求即時運作的工業(yè)控制基礎設施而言，標準乙太網路並不是可行的解決方案。營運技術(OT)控制網路必須確保訊息能在有需要的時候及時傳到，讓任務或程序能正確運行。用來繞送資料流的TCP/IP通訊協(xié)定其本質並無法保證達到這樣程度的確定性。和標準乙太網路支援檔案分享或存取像是印表機在內的網路裝置一樣，工業(yè)乙太網路也允許控制器能存取資料以及將指令從PLC傳送到工廠各處的感測器、制動器、以及機器人。兩者之間關鍵差別在於延遲的影響或沒有傳遞的訊息。在非即時應用中，若是網頁過慢更新，其產生的影響很輕微，但若是在製造環(huán)境，則影響就非常嚴重，包括從導致廢料的產生，一直到人員意外受傷等。訊息必須每次都可靠、即時地傳抵目的地，控制系統(tǒng)才能正常運行。
因此，工業(yè)乙太網路成為營運技術在控制層面的理想選擇。目標不光是在IT與高層次OT網路之間建構無縫連結，還要讓工廠OT網路的各個分層能連結到終端節(jié)點感測器，如圖3所示。目前業(yè)界需要複雜且耗電的閘道器使OT網路的較低層級元件能連結較高層級的乙太網路，在較高層級部分還需要IT/OT網路的匯整。以乙太網路為基礎，建構覆蓋全工廠的可互通自動化網路，即可替換掉這些閘道器，進而簡化網路。事實上，通訊協(xié)定閘道器的作用包括協(xié)定的轉譯，以及連結到OT網路的上層部分，但這部分並無法直接連結，因而形成網路中的孤島。這樣的資料孤島限制了工廠各處分享資訊的能力。這種情況和先前提及的工業(yè)4.0願景相違背，製造商希望從OT蒐集遙測資料，然後在IT進行分析以及各種商業(yè)流程。
在控制應用方面，封包傳遞與時序的確定性都是強制性的要求，為此許多廠商針對營運技術(OT)網路規(guī)劃各種即時通訊協(xié)定。結果發(fā)展出許多解決方案，在各廠商的通訊協(xié)定中融入確定性機制。然而這也導致解決方案之間彼此不相容，不同製造單元運行無法相容的通訊協(xié)定。這種情況形成資料獨立，或資料孤島的現(xiàn)象。因此業(yè)界需要一解決方案，能讓運行不同協(xié)定的製造單元得以並存，並以理想的方式共用網路，在這種方式下保證控制訊號流不會受到影響。解決方法就是時間敏感網路(TSN)，這種不會被特定廠商綁死的廠商中立、即時性乙太網路標準以IEEE 802.1規(guī)格為基礎。如其名稱所述，時間敏感網路著重傳輸?shù)臅r效性。這項標準改造標準乙太網路通訊協(xié)定，藉以為各種關鍵任務應用提供時序的保證性。它設計用來確保資訊能在固定且可預測的時間內從某點傳至另一點。藉由這種方式，TSN保證傳輸?shù)募皶r性。對於可預測的通訊，網路上的裝置必須有一致的時間概念。這項標準制定多種方法，用來及時傳送某些TSN乙太網路訊框，而非TSN訊框則以盡力傳送(best effort)的方式傳遞(如圖4所示)。TSN藉由這種方式在同一個網路中傳遞即時與非即時資料流。由於所有裝置共用相同傳輸時間，因此系統(tǒng)能在低延遲與低抖動的模式下傳遞重要資料，且能達到gigabit的水準。
而其目的，則是建構一種匯整網路，使多種通訊協(xié)定能以確定且可靠的方法共用線路進行傳輸。TSN是結合多種標準的工具箱，這些標準提供系統(tǒng)所需的確定性。它象徵著轉移至一種可靠且標準化的連結架構，透過多種專利現(xiàn)場匯流排來消弭資料孤立。這種網路的匯整透過網路本身的可擴充性，促成產生更多資料，支援的頻寬從10 Mbps到1Gbps甚至更高。
當前可能出現(xiàn)的狀況是TSN將被各種新安裝環(huán)境持續(xù)採納，但並非全面替代，而是逐步增建在現(xiàn)有廠區(qū)的各單元或區(qū)域。對於現(xiàn)場裝置的製造商而言，這意謂著在可預見的未來，必須同時支援工業(yè)乙太網路解決方案以及TSN兩種產品。
延伸至流程邊界
最後、而且也許是最具影響力的一項改變，就是流程控制應用中邊界節(jié)點到企業(yè)雲端之間的無縫連結，如圖5所示。直到現(xiàn)今為止，與邊界之間的連結一直受限於現(xiàn)有4 mA至20 mA的電流，或是可用的現(xiàn)場匯流排技術。在許多情況中採用的是硬體接線的點對點連結，但也限制了網路日後演進與擴充的彈性。這些非乙太網路通訊技術面臨許多挑戰(zhàn)。第一是極為受限的頻寬（像是 HART 協(xié)定採用4 mA 至20 mA電流僅提供1.2 kbps) ，進而限制了資訊流的傳輸量以及速度。第二，輸送到儀器的供電受限，進而限制了儀器的功能。最後一點，控制端的閘道器以及IT層面都是無法持續(xù)的負荷。另外想要在零區(qū)(Zone 0)這類本質安全環(huán)境中運行，並嘗試運用現(xiàn)有佈線網路去支援更快、更低成本的營運，也會面臨艱鉅的挑戰(zhàn)。
這些挑戰(zhàn)使業(yè)界體認到必須針對10BASE-T1L全雙工通訊制定IEEE 802.3cg-2019?標準。這項標準最近通過審核，規(guī)範10 Mbps全雙工通訊機制，其功率足以透過一條雙絞線將訊號傳遞至1公里遠。從感測器傳出的資料，都是以乙太網路封包的格式在OT與IT基礎設施上傳遞，因此不需要轉譯(轉譯過程會導致延遲、消耗電力、以及衍生成本負荷)。現(xiàn)有網路架構未來將會改變，如圖5所示，遠端I/O單元轉換成乙太網路現(xiàn)場交換器。乙太網路指令現(xiàn)在可透過10BASE-T1L多埠現(xiàn)場交換器從控制器和現(xiàn)場儀器進行往返通訊。從現(xiàn)場節(jié)點蒐集到的情資可透過乙太網路封包(較高頻寬)經由現(xiàn)場交換器網路連結到PLC/DCS控制器，最終傳到雲端。
許多明確的優(yōu)點將促使業(yè)界從既有現(xiàn)場匯流排轉移至工業(yè)乙太網路。第一，能重複使用現(xiàn)有佈線基礎設施(長度最高可達1公里)，故能簡化部署流程以及減少翻新成本。第二，透過網路線傳至儀器的供電，以往受限於36毫瓦(最佳狀況，電流為4 mA 至20 mA)，現(xiàn)在可提高到60瓦 (依使用纜線種類而定) 或在Zone 0這類本質安全應用中則為500 mW。額外增加的供電將促成各種功能更強的儀器，帶來終端節(jié)點的智能。再加上10 Mbit上鏈速度，即可發(fā)揮工業(yè)4.0快速傳遞情資的效率。
目前有哪些成果?
新開發(fā)的強固、低延遲、低功耗實體層技術結合可擴充交換核心(switch fabric)是推動自動化網路演進的必備要素。作為工業(yè)乙太網路發(fā)展的先鋒，ADI運用本身在自動化領域累積的豐富專業(yè)以及各種先進技術，並開發(fā)出陣容齊備的解決方案，設計用來確保時間關鍵資料能可靠地傳遞到各種工業(yè)應用，確保無縫連結以及營運效率。ADI Chronous系列可擴充乙太網路解決方案包含實體層元件(PHY)、嵌入式交換器、完整平臺解決方案、以及多重通訊協(xié)定軟體。這些元件都已通過測試與驗證，能協(xié)助產品快速問市。
| 圖6 : 的工業(yè)乙太網路解決方案ADI Chronous |
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此系列中值得一提的解決方案包括:
--ADIN1200 10 Mbps/100 Mbps 工業(yè)乙太網路實體層元件，具備增強功能集以及通過驗證的強固性
--ADIN1300 業(yè)界最低延遲、最低功耗的gigabit 實體層元件，能在各種嚴苛環(huán)境提供通過驗證的強固性
--fido5200/fido5100 即時、嵌入式、雙埠型多協(xié)定交換元件，支援許多TSN功能。而新的TSN功能開發(fā)出時，則可透過韌體升級的方式加入到元件。另外還可透過ADI Chronous開發(fā)者入口網站將新釋出的多協(xié)定軟體升級方案加入產品的支援功能之中。
通過驗證的強固、可擴充、且完整的乙太網路解決方案，能協(xié)助簡化系統(tǒng)設計與縮短開發(fā)時間，為此，我們特別和客戶一同合作研發(fā)ADI Chronouss。這款可擴充乙太網路方案具備臻於完美的時序設計。
為支援轉移並提供能橋接既有裝置的網路，ADI並開發(fā)出一項名為軟體可設定I/O(AD74413R)之新技術。這項技術讓客戶能開發(fā)現(xiàn)場可設定的遠端I/O單元，用來銜接既有儀器以及較高層的乙太網路。
安全方面有何著墨?
乙太網路存在許多防禦弱點，因此安全是其中一項最關鍵的考量因素，影響到各界採納工業(yè)4.0的速度。在企業(yè)環(huán)境的OT與IT之間建立開放資訊流，從邊界一路覆蓋到雲端，這會讓安全破口造成的潛在衝擊形成致命性的打擊。
在規(guī)劃工業(yè)4.0策略時，安全應是風險管理的一項基本考量因素。將安全融入到現(xiàn)今日趨複雜的網路絕非易事; 需要多層面著手，讓安全融入到系統(tǒng)的各層面 – 深入到邊界裝置、控制器、閘道器、一直到堆疊的各分層。ADI的Chronous系列不僅能在系統(tǒng)內每個節(jié)點上提供安全防護，還將耗電、效能、以及延遲等方面的影響減至最低程度。
部署的進程藍圖
工業(yè)乙太網路近幾年來有長足的成長，但各界仍持續(xù)部署各種現(xiàn)場匯流排與其他既有網路技術。我們都認同以工業(yè)乙太網路為基礎的匯整網路帶來的許多優(yōu)點，其中包括簡化網路架構、省去閘道器使成本降低、消弭硬體接線、改進系統(tǒng)最佳化、以及提高正常運作時間等。新標準浮現(xiàn)以及即將通過審核，是加快各界等待這波轉移的必要催化劑。促成這波轉移的動力，是各界需要更高新功能的連結網路，以及OT與IT系統(tǒng)之間更緊密的整合。TSN是促成匯整網路的力量，在結合10BASE-T1L之後，將實現(xiàn)邊界至雲端無縫連結的理想。這樣的轉移不會在一夜之間便完成，但各種潛在利益相當吸引人，因此預料採納的速度將超越以往的工業(yè)標準。
工業(yè)4.0願景的核心就是讓各種流程自動化，運用連網裝置以及蒐集/傳送/接收資訊的能力。ADI Chronous正釋放資料的潛能，從邊界節(jié)點裝置取得以往無法獲得的情資，進而為資料分析以及營運情資開發(fā)許多新的可能性。工業(yè)乙太網路將喚醒這方面的潛力，無縫傳遞現(xiàn)在與未來的資料流，連結自動化網路與雲端環(huán)境。
目前仍有許多資料孤島無法解決情資無法掌握的問題，但隨著工業(yè)乙太網路的部署逐漸普及，工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)未來將逐漸轉移到安全層面，我們的任務，是善用資料並發(fā)揮其最大的商業(yè)價值。明智的選擇應是和可依賴的夥伴合作，選擇在工業(yè)市場經營數(shù)十年的專家。Analog Devices累積雄厚的專業(yè)實力、技術、以及解決方案，將能協(xié)助客戶加速轉移至未來的智慧工廠。
(本文作者Fiona Treacy為ADI 策略行銷經理)
