自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)跨入了物聯(lián)網(wǎng)，自然就要將自動(dòng)化能力提升到一個(gè)新的境界，包括隨時(shí)互相傳輸資訊、製造數(shù)位化、智慧工廠和自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)等，因此互聯(lián)性是重要的一個(gè)基礎(chǔ)，這也帶動(dòng)了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。

為什麼過去20年工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上極少存在的互聯(lián)性技術(shù)，突然變得重要？

今天，自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)跨入了物聯(lián)網(wǎng)（IoT），自然就要將自動(dòng)化能力提升到一個(gè)新的境界，包括隨時(shí)互相傳輸資訊、製造數(shù)位化、智慧工廠和自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)等，因此互聯(lián)性是重要的一個(gè)基礎(chǔ)，這也帶動(dòng)了對於更高的速度、高靈活性和低成本效益的要求。

在過去的幾十年裡，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連接，特別是在因應(yīng)製造業(yè)不斷變化的要求，有了相當(dāng)大的發(fā)展(圖1)。

圖1 : 在過去20年間，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的演變。（source: Cybersecurity Partner、智動(dòng)化整理）

網(wǎng)路已是先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化一部分

這些年來工業(yè)通訊技術(shù)的提升，已經(jīng)在三個(gè)層次獲得相當(dāng)多的成果，分別是路由層次、控制層次和感測器層次。而這些層次提升別都需要克服不同數(shù)量和類型的要求，包括訊息傳輸、碰撞檢測和確定性（提前確定任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路線）等。因此發(fā)展到現(xiàn)在的工業(yè)以太網(wǎng)，大約有20個(gè)以IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的協(xié)定被發(fā)表出來。

工業(yè)用乙太網(wǎng)路（EtherCAT）技術(shù)，大約是在40年前第一次出現(xiàn)在自動(dòng)控制領(lǐng)用。直到今天，基於乙太網(wǎng)路的現(xiàn)場匯流排系統(tǒng)(Fieldbus System)已經(jīng)在IEC 61158中標(biāo)準(zhǔn)化，並成為先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化中廣泛應(yīng)用的一個(gè)部分。

這是因?yàn)?0年代中期，一些自動(dòng)化業(yè)者在觀察了乙太網(wǎng)路的興起後，就開始研究透過其優(yōu)勢性，考量是否有可能應(yīng)用在工廠生產(chǎn)線與自動(dòng)控制設(shè)備。然而，一些對基於PC的控制系統(tǒng)有經(jīng)驗(yàn)的人都知道，逐漸成為電腦網(wǎng)路通訊主流技術(shù)的乙太網(wǎng)，並沒有強(qiáng)化其物理硬體架構(gòu)來滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。再來更大的問題是，即使是導(dǎo)入了先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)運(yùn)的硬體，這對當(dāng)時(shí)工業(yè)乙太網(wǎng)所需要的高速計(jì)算效能需求而言，還是是太緩慢了。

即便是如此，需多工程師仍舊認(rèn)為，如果能克服其局限性，對於自動(dòng)控制設(shè)備來說，乙太網(wǎng)技術(shù)將是一個(gè)比當(dāng)時(shí)所使用的現(xiàn)場匯流排(Fieldbus)技術(shù)更便宜、更實(shí)用的結(jié)構(gòu)。

因此在2003年首次發(fā)表EtherCAT後，就迅速成為工廠自動(dòng)化的首選網(wǎng)路和控制架構(gòu)，因?yàn)樗撬谢兑姨W(wǎng)的通訊技術(shù)中，擁有最快的週期時(shí)間。但是為了充分發(fā)揮EtherCAT的優(yōu)勢，匯流排必須有高速控制硬體作為基礎(chǔ)。因此許多業(yè)者大膽地採用積體電路或ASIC，來作為控制單元中EtherCAT運(yùn)算核心。

在工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)裡，被網(wǎng)路所連接，和分布在不同空間的感測器，所偵測到的訊號，都必須同步、無誤的傳送到各個(gè)相關(guān)設(shè)備，來預(yù)測事件發(fā)生的相對時(shí)間，並計(jì)算出事件中的相關(guān)模式。特別是在封閉環(huán)境運(yùn)動(dòng)控制中，例如在包裝、印刷、對稱焊接等，設(shè)備都需要同步執(zhí)行預(yù)定的即時(shí)任務(wù)。

TSN將自動(dòng)控制網(wǎng)路帶向全新境界

為了滿足上述的要求，新一代的通訊標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間敏感網(wǎng)路(Time-Sensitive Networking；TSN）就被提出。TSN是一種將乙太網(wǎng)通信頻寬劃分為時(shí)間段，並根據(jù)設(shè)定的傳輸訊框(Communication Frame)的優(yōu)先順序控制通信頻寬的技術(shù)。TSN是基於IEEE 802以太網(wǎng)子標(biāo)準(zhǔn)，由IEEE TSN任務(wù)組定義，支援確定性的即時(shí)通訊能力。在定義的時(shí)間內(nèi)，提供具保證性的數(shù)據(jù)傳輸；也就是有著極低延遲、低延遲變化，和極低的數(shù)據(jù)遺失，此外TSN還可以支援不同 QoS 要求的各種應(yīng)用。

CC-Link IE TSN

CC-Link IE TSN是首批將納入TSN功能工業(yè)網(wǎng)路的產(chǎn)品之一，其規(guī)範(fàn)已於2018年11月發(fā)佈。CC-Link IE TSN的主要特點(diǎn)，是以時(shí)間共用的方式實(shí)現(xiàn)了即時(shí)性的能力，可以讓數(shù)個(gè)不同的網(wǎng)路通續(xù)，同時(shí)在同一架構(gòu)下進(jìn)行通訊。在以前，這是必須分別在不同網(wǎng)路上傳輸I/O控制、運(yùn)動(dòng)控制以及TCP/IP通信，而今天可以透過CC-Link IE TSN的技術(shù)整合在同一網(wǎng)路中，實(shí)現(xiàn)了OT和IT的整合(圖2)。

圖2 : CC-LINK IE TSN示意圖。（source: CC-Link協(xié)會(huì)、智動(dòng)化整理）

在透過同步的能力連接到網(wǎng)路後，可以允許傳輸訊框進(jìn)行雙向傳送，這樣一來，通訊週期又比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)短得多，實(shí)現(xiàn)了高速和高精度的控制。

PROFINET over TSN

除了CC-Link IE之外，在德國西門子等的支持下，PROFINET也發(fā)佈了一個(gè)與TSN相容的規(guī)範(fàn)「PROFINET over TSN」。PROFINET是由PI（PROFIBUS & PROFINET國際組織）所開發(fā)和推廣的工業(yè)乙太網(wǎng)，目前在全球市場上也有相當(dāng)高的市場佔(zhàn)有率。

PROFINET還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它是一個(gè)通用系統(tǒng)，不僅實(shí)體層和資料連結(jié)層與標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)相容，在網(wǎng)路層也與標(biāo)準(zhǔn)乙太網(wǎng)相容，只需在資料連結(jié)層增加TSN即可支援（圖3）。因此PROFINET支持TSN的理由是，除了不同的工業(yè)乙太網(wǎng)間能相容傳輸之外，IEC標(biāo)準(zhǔn)更可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制所需的確定性（deterministic），這在OT中很重要。

圖3 : PROFINET over TSN 示意圖。（source:日本PROFIBUS協(xié)會(huì)、智動(dòng)化整理）

OPC UA over TSN

此外TSN還與B&R工業(yè)自動(dòng)化合作，透過了技術(shù)整合，可以在同一TSN框架網(wǎng)路內(nèi)導(dǎo)入了標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA over TSN，可在所有通信層上更靈活地管理工業(yè)網(wǎng)路，包括控制器到控制器，和控制器到現(xiàn)場設(shè)備，使工業(yè)網(wǎng)路的管理更加靈活(圖4)。

圖4 : 整合網(wǎng)路上，控制器到控制器的傳輸，和控制器到設(shè)備的傳輸。（source: MOXA Japan、智動(dòng)化整理）

OPC UA提供了標(biāo)準(zhǔn)化的資料結(jié)構(gòu)方式，可以為任何種類的環(huán)境增加語意(semantic)，並以安全的方式提供。如果沒有OPC UA在TSN上提供的互通性，多業(yè)者將必須採用死碼(Hard-Coded)的方式進(jìn)行傳輸，這也就意味著將會(huì)增加高昂的開發(fā)成本，並抵消任何靈活性方面的優(yōu)勢。最重要的是，OPC UA over TSN保證了持續(xù)的監(jiān)視能力而不干擾設(shè)備的運(yùn)作。

OPC UA over TSN透過擴(kuò)展OPC UA資訊模型的語意自我描述，可以將大量的感測器、執(zhí)行器和其他自動(dòng)化設(shè)備新增到可用的資訊庫中。再透過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以設(shè)計(jì)出高效和有效的生產(chǎn)過程，同時(shí)更容易進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)。

而由Acontis Technologies GmbH所提供的TSN軟體，也將邊緣智慧整合到框架中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。TSN軟體可將資料的即時(shí)傳輸，從硬體擴(kuò)展到應(yīng)用層，讓邊緣運(yùn)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)智慧網(wǎng)路。

TSN透過使用TDMA（分時(shí)多工）方法，將時(shí)間拆分為重複週期，來實(shí)現(xiàn)確定性數(shù)據(jù)傳輸。在這些時(shí)間段內(nèi)，會(huì)建立一個(gè)虛擬通道形成時(shí)槽(time slot)，這是為了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流傳輸而設(shè)計(jì)的，避免緊急或傳輸重要數(shù)據(jù)時(shí)，受到其他網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊憽Ｍ瑫r(shí)為了實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的高精度，TSN也使用了符合IEEE1588的精確時(shí)間協(xié)定(PTP)。

無線通訊即將現(xiàn)身在工業(yè)自動(dòng)控制網(wǎng)路

一般而言，TSN大多是針對有線網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗枰浅５偷难舆t。因此TSN專注於網(wǎng)絡(luò)的鏈路層，這不同於3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)，或802.11 Wi-Fi專注於網(wǎng)絡(luò)的通信層。

然而，支持超可靠低延遲通信(URLLC)的最新5G和802.11ax Wi-Fi (Wi-Fi 6)標(biāo)準(zhǔn)，就在不久之前被發(fā)表出來，這個(gè)重大的突破，使得TSN可以開始應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)上。

這些標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)入了與先前無線標(biāo)準(zhǔn)不同的排程機(jī)制(scheduling mechanisms)，允許更有效地安排來自多個(gè)設(shè)備的同步傳輸。為了消除延遲的問題，可以在無線通信中，提供有限的延遲和高可靠性。

5G NR定義了多種參數(shù)集，以支援不同QoS要求，如增強(qiáng)型行動(dòng)寬頻 (eMBB)、海量機(jī)器類型 (mMTC) 通信，和超可靠低延遲通信 (uRLLC)。並且在4G或LTE中，定義了固定的時(shí)槽可持續(xù)時(shí)間。另一方面，5G NR也定義了不同的時(shí)槽長度，可以同時(shí)支援不同的參數(shù)集來服務(wù)於多種應(yīng)用。

圖5 : 5G NR中無線電資源的靈活使用。（source:Cybersecurity Partner、智動(dòng)化整理）

邊緣控制器提供更靈活的IIoT環(huán)境應(yīng)用

邊緣控制器整合了先進(jìn)的計(jì)算和軟體功能，已經(jīng)逐漸成為自動(dòng)控制中主流模組。與傳統(tǒng)I/O硬體一樣，傳統(tǒng)工業(yè)控制器的範(fàn)圍有限，需要中間系統(tǒng)才能將過程數(shù)據(jù)連接到組織的其餘部分。而現(xiàn)代邊緣可編程工業(yè)控制器 (EPIC)則是利用新技術(shù)來吸收比前幾代更多的自動(dòng)化功能。憑藉工業(yè)強(qiáng)化組件、安全網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)、多語言編碼和多核心處理，邊緣控制器可以提供傳統(tǒng)的即時(shí)I/O 控制，同時(shí)還可以處理通信、可視化機(jī)能，甚至數(shù)據(jù)庫。

在IIoT的應(yīng)用下，可以利用這種靈活性，與其他數(shù)據(jù)產(chǎn)生終端進(jìn)行通訊，在有意義的模式下，轉(zhuǎn)換彼此的數(shù)據(jù)，並將其安全地傳送到?jīng)Q策者。並可在機(jī)器控制層提供本地分析並產(chǎn)生觀測能力。透過本地感測器高階感測能力，和設(shè)備高速處理能力來強(qiáng)化設(shè)備操作性，讓現(xiàn)場人員可以快速發(fā)現(xiàn)和評估問題，並採取適當(dāng)?shù)膶Σ摺?/span>

此外，從各種現(xiàn)場定位的本地感測器，和其他控制設(shè)備（例如 VFD）所收集的數(shù)據(jù)，可在本地對其進(jìn)行分析後，即時(shí)將結(jié)果送出。並允許器設(shè)備將分析結(jié)果，和相關(guān)訊息傳輸?shù)饺魏晤愋偷娘@示器、儲(chǔ)存系統(tǒng)，或其他平臺(tái)。

因此較先進(jìn)的工業(yè)邊緣控制器，除了具有獨(dú)立運(yùn)行的獨(dú)立虛擬化操作系統(tǒng) (OS)外，還可以透過OPC UA安全地與其他模組系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行通訊，將來自現(xiàn)場的小量數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁唠A的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，是進(jìn)行初步數(shù)位化轉(zhuǎn)型基礎(chǔ)。

由於工業(yè)邊緣控制器具有獨(dú)特的裝備和定位，因此可以連接所有類型的現(xiàn)場設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和處理，並安全地傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)平臺(tái)。在架構(gòu)上，可以利用一個(gè)可編程邏輯控制器，提供即時(shí)確定性的控制操作系統(tǒng)，再透過另一個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行分析，和高性能計(jì)算，這是為了確保設(shè)備效能運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性。

與大多數(shù)設(shè)備一樣，邊緣控制器也有提供以太網(wǎng)和其他介面，來連接其他的硬體或網(wǎng)路，每個(gè)邊緣控制器都設(shè)置了專用通訊介面，可以充分支援各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、IIoT 和其他高級協(xié)定，例如 OPC UA、MQTT、PROFINET 和 SRTP，來確保設(shè)備網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 連接之間的傳輸效能。

未來將須考慮實(shí)完全整合的工程

現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不再被視為獨(dú)立平臺(tái)。今天的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，必須與整個(gè)設(shè)備控制環(huán)境完全整合，這樣可以增強(qiáng)的垂直連接，和IIoT提供高效率的配置。因此，工程師不僅要考慮單一組件的功能，還要考慮實(shí)現(xiàn)完全整合的工程，和運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)化軟體，並且尋找能夠在同一個(gè)系統(tǒng)下處理盡可能編寫多種程式的軟體平臺(tái)架構(gòu)，包括 PLC、運(yùn)動(dòng)控制、安全、HMI、測量和監(jiān)控、機(jī)器視覺，當(dāng)然還有物聯(lián)網(wǎng)。