工业联网标准各据山头 新一代TSN揭竿而起

作者：卢佳柔 新通讯 2016 年 9 月号 187 期《 封面故事 》

工业以太网标准百花齐放，新秀TSN(Time Sensitive Networking)魅力登场。工业以太网在工业领域已有多年历史，但至今联网的通讯协议依旧各自为王，导致工厂内无可以兼容共通的标准规范；为改善此现况，近期工业因特网联盟(IIC)集结各大厂商力推TSN，揭开工业联网崭新一页。

工业自动化(Industrial Automation)商机声势看涨。近年工业4.0和工业物联网(IIoT)话题延烧，吸引各大厂商纷纷关注到工业产业自动化的趋势，为网络设备商、芯片商与现场可编程门阵列(FPGA)等相关供应链厂商带来庞大商机。

同时，当前制造业生产管理对于效能和良率要求倍增，使得工业应用领域的通讯带宽需求日益攀升，期望透过工厂撷取的高信息量分析大数据，推动新一代智能制造应用。有鉴于此，各大厂商纷纷加入制定新一代TSN通讯协议标准，推动工业以太网迈向Gbit/s时代。

高带宽需求萌芽　工业以太网迈向Gbit/s世代

图1　瑞萨电子营销事业部泛用市场营销部经理黎柏钧表示，工业联网逐渐迈向高带宽需求，使得TSN标准的发展潜力一片看好。

瑞萨电子(Renesas Electronics)营销事业部泛用市场营销部经理黎柏钧(图1)表示，目前主流的工业以太网通讯标准包含EtherCAT、Ethernet/IP、Modbus/TCP与PROFINET等，而这些通讯协议皆仅能以10?100Mbit/s以太网络(Ethernet)为基础，且这些协议背后皆有各自支持的厂商，难以形成统一标准。

相较之下，黎柏钧分析，新推出的TSN通讯标准，具备高数据量传输与优先权设定功能等优势，将有望成为工业通讯应用的明日之星。他透露，现有的工业以太网协议未来将会成为TSN网络之上的专属(Proprietary)网络协议，因此这类协议依旧会存在，但彼此之间不会互相取代的问题产生(图2)。

图2　TSN与以太网络和无线通信架构关联图

黎柏钧指出，既有的工业以太网络对现有工业设备已绰绰有余，但若是要实现未来工业4.0，以云端服务器控管全球工业系统的愿景，则需倚靠TSN这种Gbit/s等级的传输量才足够。

现阶段TSN尚有许多标准未底定，但已有国家仪器(NI)、Bosch Rexroth、思科(Cisco)、英特尔(Intel)、库卡(KUKA)、施耐德电机(Schneider Electric)、TTTech等大厂正携手工业因特网联盟开发TSN测试台(Testbed)。

黎柏钧谈到，TSN本身定义的带宽较大，若以1Gbit/s为例，可达现有工业以太网的10倍之多。换言之，若原来的数据只能切50个讯框(Frame)存取数据，透过TSN可提升至500个讯框。因此，TSN可以支持所有通讯协议，同时在TSN的讯框之中，可定义针对像是马达、传感器与控制器等不同组件的数据区块。

另一方面，现今TCP/IP已主宰了许多通讯协议标准。黎柏钧分析，未来TSN要掌握工业通讯协议的主导权并非不可能。以TCP/IP来说，主要是以实现全球的IP透过TCP/IP皆可以撷取数据为诉求；时至今日，工业对于优先权设定的要求与日俱增，举例来说，假设定义一个内含五颗马达的机器手臂，这些马达的数据交换须优先处理，以实现小局域网络的实时传输功能，达到精确的控制。而这样的发展趋势，对于专注于所有数据交换优先权顺序传输的TSN工业以太网络实为一大优势。

图3　赛灵思ISM技术营销资深经理罗霖认为，EtherCAT/POWERLINK两种通讯协议，在中国政府推动下声势看涨。

赛灵思(Xilinx)工业、科学、医疗(ISM)技术营销资深经理罗霖(图3)表示，TSN是为了解决工业领域中的互操作性孕育而生的标准协议，若开发商可遵循此标准，厂商设备之间可以进行非常好的互连互通。再者TSN为IEEE提出的一个国际标准，背后有许多国际工业应用大厂如西门子(Siemens)、通用电气(GE)和ABB等公司的支持，因此该公司认为TSN未来发展前景一片光明。