面對當前工業(yè)製造數(shù)位轉(zhuǎn)型階段，陸續(xù)融入了資通訊（ICT）科技和人工智慧（AI）的應用和發(fā)展，以即時並充份利用大數(shù)據(jù)加值。促使各家設備製造、FA自動化系統(tǒng)整合商紛紛尋求新一代工業(yè)通訊標準，包含TSN、umati也應運而生，並透過合縱連橫加速落地。

為了在「數(shù)位轉(zhuǎn)型」方面導入數(shù)位、智慧化技術，實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化和數(shù)位化來實現(xiàn)工具機的高效生產(chǎn)、更精準的加工以提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)；應用大數(shù)據(jù)、人工智慧（AI）、umati等技術，對生產(chǎn)過程和產(chǎn)品品質(zhì)進行數(shù)據(jù)分析，或透過雲(yún)端計算技術實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理與應用，優(yōu)化生產(chǎn)製程，期能迎接科技進步所帶來的挑戰(zhàn)與機會。

繼2011年工業(yè)4.0問世以來，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）正逐漸改變工業(yè)製造的日常運營模式，包含藉此感測蒐集資料、實現(xiàn)設備之間M2M的高速通訊，再經(jīng)由雲(yún)端或邊緣運算處理、AI模擬解析，實現(xiàn)各種不同的加值應用。

進而利用預測分析來檢測零組件運行狀態(tài)及壽命，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品品質(zhì)，削減整體成本；或是將營運和服務大數(shù)據(jù)資料，反饋到產(chǎn)品設計週期等各種面向；實現(xiàn)變種變量生產(chǎn)，符合用戶需求多樣化的世界製造業(yè)潮流，打造可自主生產(chǎn)的智慧工廠。

然而，由於工業(yè)乙太網(wǎng)協(xié)定的低延遲、互通性有限，加上眾多專屬（Proprietary）標準充斥在IIoT環(huán)境，使得工業(yè)4.0發(fā)展受阻。卻也促成TSN、umatti等新一代通訊協(xié)定，在2018~2019年間正式被導入工業(yè)領域，並吸引歐美日大國的設備製造業(yè)（Maker）、FA自動化系統(tǒng)整合商（SI）紛紛尋求夥伴合縱連橫並加速落地，以率先推出硬體、模組和解決方案。

圖一 : 由於工業(yè)乙太網(wǎng)協(xié)定的低延遲、互通性有限，促成TSN、umatti等新一代通訊協(xié)定陸續(xù)被導入工業(yè)領域，並吸引設備製造、FA自動化系統(tǒng)整合商紛紛尋求加速落地。（source：umati.org）

TSN合縱連橫加速落地 與EtherCAT競逐IIoT主流標準

其中TSN（Time-Sensitive Networking）技術源自於IEEE在2004年成立了小組，開發(fā)了一系列Ethernet車用音訊/影像橋接（Audio Video Bridging；AVB）標準，是在乙太網(wǎng)上追加了時間同步、A/V設備控制、頻寬預約等功能的通訊規(guī)範，減輕電池以外排線重量、又避免封包碰撞疑慮，而影響行車安全性。

等到2018年逐漸成熟後，再由IEEE將之推廣到製造業(yè)/車載等方面，擴展了Ethernet AVB標準，於2012年改名為TSN，現(xiàn)在正在進行各項擴展規(guī)範的審議；在與IEEE及IEC國際標準制定的同時，各網(wǎng)路推廣組織也在推進TSN在開放網(wǎng)路中的應用，包含TIACC制定單一通用型的一致性測試計劃。

TSN的優(yōu)點在於使用乙太網(wǎng)可以保證即時通訊，於通過時間同步精度1μsec以下進行高精度同步通訊，有效利用通訊頻寬；可共用時間，藉時間戳記保持連接設備的時間一致，可混在IP通訊等多種協(xié)定，將現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)陸續(xù)發(fā)送到SCADA、MES和ERP系統(tǒng)以及雲(yún)端系統(tǒng)。

雖然TSN與EtherCAT皆屬於乙太網(wǎng)的通訊標準，但因為EtherCAT使用專屬拓撲架構，還須透過閘道器（Gateway）切換網(wǎng)路協(xié)定。反觀TSN則可以使用現(xiàn)有的乙太網(wǎng)路架構與布線，串聯(lián)各式工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)裝置並快速完成IT+OT整合。

目前已可看到如西門子PROFINET、三菱CC-LINK IE（Control & Communication Link Industrial Ethernet）等基於乙太網(wǎng)路架構支援，並積極推出相關產(chǎn)品上市，與在傳統(tǒng)工業(yè)總線配線滲透率較高的EtherCAT分庭抗禮，第一波產(chǎn)品將以交換產(chǎn)品與終端控制類型為主。

CC -linkIE TSN結合三菱電機　率先推出FA全系列產(chǎn)品

日本也通過數(shù)位化及IoT技術，以熟悉現(xiàn)場知識為基礎、隨機應變的問題解決能力，持續(xù)性改善活動為優(yōu)勢，實現(xiàn)特有的「萬物互聯(lián)（Connected Industries）」模式，創(chuàng)建出一個利用技術和智慧、以人為本，具有新型附加價值的產(chǎn)業(yè)社會。

其中實現(xiàn)智慧工廠的關鍵，要求能融合IT系統(tǒng)和FA生產(chǎn)現(xiàn)場不同工業(yè)網(wǎng)路，並具備高速、大容量、高精度通訊，以提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)；經(jīng)由設備、裝置應用的效率化，還有數(shù)量種類豐富的連接產(chǎn)品陣容，得以簡單連結各種設備，進行簡單的工程與保養(yǎng)。

2000年首先將源於日本的現(xiàn)場網(wǎng)路「CC-Link」開放化，2008年將業(yè)界首個1Gbps的基於乙太網(wǎng)的「CC-Link IE」開放化；2018年將率先採用基於標準乙太網(wǎng)規(guī)範的TSN（Time-Sensitive Networking）技術的「CC-Link IE TSN」開放化，包括對廠商的相容產(chǎn)品開發(fā)支援；會員產(chǎn)品的CC-Link一致性測試實施等。截至2023年底CC-Link IE TSN相關認證設備產(chǎn)品數(shù)205件、安全設備產(chǎn)品數(shù)35件，並推薦如交換機HUB等網(wǎng)路配線部品的認證產(chǎn)品數(shù)159件。

如今CC-LinkIE TSN則已率先將TSN技術導入工業(yè)開放網(wǎng)路，通過以時間分割實現(xiàn)即時性，使多種不同的網(wǎng)路通訊協(xié)定，可以在同一鏈路同時存在，將FA生產(chǎn)現(xiàn)場和IT系統(tǒng)無縫結合；與其他協(xié)議可按時間帶區(qū)分，在同一條線上混合存在，促成既有I/O控制、運動控制、安全通訊，可與TCP/IP普通乙太網(wǎng)通訊整合。

另有別於現(xiàn)行CC-Link IE Field採用令牌環(huán)輪詢方式，包括運動控制的各個設備均依次進行通訊處理；各設備可雙向同時通訊，以縮短通訊週期與大幅縮短節(jié)拍時間。再利用CC-LinkIE TSN分割具即時性的迴圈通訊，或混合使用普通的IP通訊等非即時通訊並確保定時性，保證控制及通訊的即時性，或通過高效的網(wǎng)路通訊協(xié)定，實現(xiàn)高速?高精度的控制。

還可在控制通訊內(nèi)組合高/低速週期通訊最優(yōu)化控制，維持要求高速性的運動控制性能，提高裝置性能。通過高精度的時間戳記同步記錄資料，可準確分析發(fā)生故障時刻，以正確的時間序列追溯解析事件歷史，容易特定出錯原因。

CC-Link協(xié)會事務局長陳重光表示，CC-LinkIE TSN在日本三菱電機FA自動化控制部門奧援下，2019年起率先推出支援涵括PLC、HMI、伺服驅(qū)動/變頻器等一系列產(chǎn)品；未來也希望協(xié)助會員廠商協(xié)力開發(fā)、測試新品，讓臺製機電設備有機會替代進口，甚至回銷日本。

進而擴大製造業(yè)豐富的應用場景，開始削減上線、使用、保養(yǎng)的工時，並使用普通軟體工具進行診斷，通過多樣的診斷方法、診斷範圍的擴大、正確的診斷資訊，在網(wǎng)路故障發(fā)生時可迅速進行原因分析和系統(tǒng)重定。豐富的對應產(chǎn)品組合，即再通過多樣的開發(fā)方式，可使用按照要求規(guī)格的對應產(chǎn)品進行靈活的構成組合。

圖二 : CC-LinkIE TSN在2019年起率先推出支援涵括PLC、HMI、伺服驅(qū)動/變頻器等一系列產(chǎn)品。

OPCUA打造工具機專屬通訊標準umati

此外，有別於TSN主要進行現(xiàn)場總線的調(diào)度控制，OPC UA（開放式平臺通訊統(tǒng)一架構）標準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(yè)網(wǎng)路最具突破性的變革，進而針對不同產(chǎn)業(yè)需求提出專用通訊標準格式。

其中由德國工具機製造公會（VDW）與德國機械設備製造業(yè)聯(lián)合會（VDMA）共同推動的umati「通用機械技術介面（Universal Machine Technology Interface）」，代表機械設備專用OPC UA的通用規(guī)格，主要在OPC UA機器間通訊協(xié)定的基礎上，建立全球通用標準，讓不同產(chǎn)業(yè)的各種設備，在同一平臺上相互連線，呈現(xiàn)跨場域之間的智動化生態(tài)系。

今年主辦臺灣國際工具機展（TMTS 2024）的工具機暨零組件工業(yè)同業(yè)公會（TMBA）也特別邀請德國VDW、VDMA來臺，首次合作設立「umati 專區(qū)」，總計26家工具機與零組件廠商、法人與學校共同參與。

圖三 : 工具機暨零組件工業(yè)同業(yè)公會今年TMTS特別邀請德國VDW、VDMA來臺，首次合作設立「umati 專區(qū)」。（source：moea.gov.tw）

精密機械研發(fā)中心（PMC）專案經(jīng)理邱禹修表示，適逢今年TMTS 2024期間VDW與TMBA合作推行umati，協(xié)助將臺灣工具機廠商將現(xiàn)場及各廠區(qū)設備資訊上傳數(shù)位看板，加入全球各地pin點展示。

未來若邊緣端（Edge）設備內(nèi)建通訊功能，只要支持OPC UA、umati通訊標準格式，即可協(xié)助SI、Maker快速整合，制訂開發(fā)規(guī)範；甚至是針對End user的老舊設備，亦可加入SMB連網(wǎng)升級、開發(fā)加值軟體；與廠內(nèi)軟硬體介接，實現(xiàn)plug-in（隨插即用）串接包含MES、ERP、AI SaaS應用服務，打造產(chǎn)業(yè)共通標準。

PMC副理沈俞靜進一步指出，PMC自2019年開始結合設備端Maker、零組件、SI系統(tǒng)整合商，積極參與推廣umati活動，加深與國際連結、線上交流會員資訊，進而建立SaaS服務標準機制。目前PMC也率先將umati導入SkyMars並支援umati規(guī)範，可串連外部SI或與ERP、PaaS服務廠商整合；基於OPC UA的標準架構，進行設備連網(wǎng)和後續(xù)派工、監(jiān)測產(chǎn)品履歷等後續(xù)應用，這次TMTS還發(fā)表與量測卡尺結合即時量測監(jiān)控範例。

結語

圖四 : 工研院表示，umati/OPCUA、ERUOMAP77等，支援開發(fā)多種類型智能化軟體App；跨產(chǎn)業(yè)亦有共通週邊通訊需求，如自動化、倉儲設備等。

值得一提的是，依工研院智慧機械中心經(jīng)理王培寧分析，如今工具機產(chǎn)業(yè)遇到的問題是各家控制器廠商都有自家通訊協(xié)定、軟體取得資料，導致數(shù)據(jù)格式不一、SaaS無法互通，控制和感測硬體資源衝突，有賴機聯(lián)網(wǎng)平臺解決。

但不同物聯(lián)網(wǎng)平臺也需要智慧機械雲(yún)加以整合，打造共通地端引擎，應用程式管理平臺，促成地端標準Runtime和各家SMB及雲(yún)端SaaS服務的資料，都能遵循各產(chǎn)業(yè)標準資訊模型互聯(lián)。例如umati/OPCUA、ERUOMAP77等，支援開發(fā)多種類型智能化軟體App；跨產(chǎn)業(yè)亦有共通週邊通訊需求，如自動化、倉儲設備等，

事實上，自從工業(yè)4.0問世以來，工具機產(chǎn)業(yè)受惠於法人、公協(xié)會既利用智慧機械政策補助，推行IIoT萬機聯(lián)網(wǎng)上雲(yún)有成，已累積蒐集大量數(shù)據(jù)；並分別透過雲(yún)/地端與PaaS、SaaS應用服務商加以分析、管理資訊。

進而於2021年開始推行產(chǎn)業(yè)共通標準，開發(fā)客製化微服務小程式（App）以來，已陸續(xù)實現(xiàn)虛實融合（CPS）、數(shù)位分身（Digital twin）等關鍵技術落地，投入組裝銷售前研發(fā)設計、售後維運教育訓練及維修等服務；進而提供終端加工業(yè)者，導入AI來優(yōu)化生產(chǎn)製程、創(chuàng)新商務模式，共同實現(xiàn)永續(xù)智慧製造。

據(jù)TMBA統(tǒng)計迄今已辦理產(chǎn)業(yè)規(guī)範會議參加廠商逾400家次，參與人數(shù)超過700人次，預計2024年底產(chǎn)出產(chǎn)業(yè)規(guī)範約100件；加上大力推廣umati通信協(xié)定，讓工具機和周邊設備連接至客戶特定的IT生態(tài)系統(tǒng)，更兼具簡單性、安全性及順暢性。