在過去，對於特定的工業控制應用，製造商通常不得不採用專用的通訊協定和系統，而不是採用標準的乙太網路技術。雖然早期的乙太網路只能進行盡力傳送式通訊，但近年來標準乙太網路已經發展了漫長的歷程。隨著時效性網路(TSN)的出現，標準乙太網路現在能夠提供確定性服務，並整合了由過去眾多專用通訊協定隔離的「自動化」。
為了對於未來的智慧製造界定真正統一的網路基礎架構，Moxa等國際標準組織和硬體供應商正在共同開發以時效性網路為基礎的解決方案。隨著TSN成為實施真正的IIoT網路的堅實基礎，全球製造商終於可以發揮工業4.0本有的全部效益。本文會將時效性網路對工業自動化的革新分為兩部分，第一部分將介紹TSN與工業自動化的發展現況，另一部分將探討國際標準組織和裝置供應商如何促使TSN成為工業網路的未來基礎。
推動數位化轉型 技術/通訊協定無縫接軌
現今的世界正在見證數位化轉型的新曙光，製造商須要重新考慮現有的商業模式和工業自動化基礎架構。為了在「工業4.0」時代保持關聯性和競爭力，製造商須要做的不僅僅是採用數位技術，並像過去一樣在自動化孤島中部署預先定義的流程。未來的工業有賴於瞭解推動新一波數位化浪潮的因素、目前工業自動化模式對實現數位化轉型的侷限性，以及如何克服這些限制以實現工業4.0的全部優勢。
目前製造技術自動化和資料交換趨勢的基礎，也稱為「工業4.0」或「工業物聯網」(IIoT)，基本上是數位化。透過將類比訊號、聲音、影像、文字和其他資訊轉換為電腦可讀取格式，數位化幾十年來一直在改變產業的本質。傳統產業不僅能夠提高效率和生產力，而且以往難以想像的機會也開拓並改變了我們在全球展開業務的方式。在可預見的未來，這些趨勢將持續以相當強勁的速度推動成長，預計不僅對工業部門，而且對全球經濟都有重大利益。
然而，工業中的數位化轉型不僅僅涉及將類比資訊轉換為1和0系列的過程。為了讓製造商瞭解所有這些資訊，必須從廠區的無數感測器和設備傳輸資料，並為人或其他機器進行處理，以便即時做出明智的決策。因此，智慧製造的數位化轉型必然包括各種網路技術和通訊協定，這些技術和通訊協定能夠實現無縫通訊，而且從感測器到具有人工智慧的精密機器人提高各種數位化設備的可視性。
實際上，數位化能夠實現將來自連線裝置的資料整合，以及收集和採取效能提升回應的能力，這促使許多製造商採用IIoT技術。公司有明確的動機採用智慧製造，以促進營運效率和業務實務做法。無論是尋求減少機器停機時間、提升效能以開拓業務創新的新機會，還是採用全新的商業模式，例如提供產品即服務，製造商都在進行數位化轉型。
自從工業革命以來，製造商一直在尋找提高生產力的方法。在生產機械化之後，製造商已經將裝置連線做為提高效率和利潤的手段。從20世紀80年代開始，製造商開始採用數位裝置，這導致了我們現今所知的工業自動化的出現。可視化工業自動化目前架構的有用方法是經常引用的普渡模型(圖1)。
在目前的普渡模型中，工業自動化形成了金字塔，其中隔離的專用通訊協定佔據不同的層。但是，這種模式也為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。雖然獨立的專用通訊協定可能相當擅長自動進行對於本身開發的原始任務，但實質上說的是不同的「語言」，因此導致難以進行即時通訊。此模型中的傳統工業網路也針對延遲和控制進行了調整，無法共享線路，而且通常限制在100Mb/s(或更低)的傳輸速度，最後不利於可擴展性。
此外，為多個應用程式使用專用硬體和軟體會妨礙互通性，並增加維護和營運成本。因此，跨層的系統整合和可見性變得難以實現，這對整個價值鏈產生負面影響。
顯然，製造策略也需要發展，公司才能保持全球競爭力。如今，客戶需求變得愈來愈多樣化，公司正在尋找滿足這些新的和未來需求的方法，同時提高營運效率。企業必須盡可能靈活、高效率和快速回應，才能保持全球競爭力。製造商可以根據銷售預測單獨擴大生產的情況已經不復存在。相反地，製造商可能需要運用大數據分析的相關見解來即時滿足客戶需求，並且以更低的成本優化生產。這只是製造商如何部署最新技術以實現「工業4.0」並向前發展的一個例子。
由於產業正在持續數位化、自動化和創新，因此，在複雜的全球營運中，設備、裝置和人員比以往更加緊密。最後，工業網路需要趕上市場和產業發展，以確保企業能夠透過更可靠和可擴展的網路將效率、彈性和可用性轉化為更好的效能、更高的員工和客戶滿意度，以及更多的成長。
通用語意/統一基礎架構成要務
傳統的普渡模型以「自動化金字塔」為代表，概略呈現不同層次的網路通訊，這些層次仍然很零碎，可能不可靠且難以維護，尤其是從長遠來看。業界的呼籲已經轉向能夠即時回應市場和商業條件的「自制金字塔」。在這個新設想的架構中，自動化和網路資料流孤島能夠透過通用語義和統一的基礎架構相互通訊。
如圖2所示，這個新的「自制金字塔」將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。
小規模、靜態和隔離的控制環路演變成大規模、動態和開放的控制環路通訊，這稱為網路實體系統(CPS)，可將軟體和實體元件緊密結合。
閉環資料以前可以在共同基礎上公開通訊，藉以實現可以透過智慧的方式互相進行新的雙邊資料通訊流量傳輸。
從設備到材料再到人員的所有業務資產都在統一的基礎架構中智慧連接，透過端點對端點的「自主」通訊、協作、反應、適應和優化來滿足各種客戶需求，所有這些都能夠「適時」完成。
製造商透過為多種不同的應用程式(包括自動化、維護、分析等等)使用統一的網路基礎架構，可以實現下列效益：
1.由於不同的終端裝置能夠即時相互通訊，因此配置系統、裝置和應用程式來實現即時回應循環變得相當容易。統一的脈絡導向網路結構也允許進行機器學習，因此從長遠來看，可以運用大數據分析並做出相對應的回應，進一步提高按訂單生產的彈性和效率。
2.改進的資料存取有助於即時進行生產監控，因此可以在不同的情況下建立更高品質、更注重細節的KPI。
3.更強大的網路基礎架構可以支援廠區設備的更多應用，例如計數、分類、品質控制和視訊監控。由於所有即時資料都輸入系統，因此機器不再孤立地工作，而能夠與其他機器協同作業來提高生產力。結合機器人技術和機器感測技術的發展，例如動作引導、擴增實境、機器視覺和觸覺，工廠資產能夠以更低的成本達到優化的效能。
4.標準化技術和可擴展的結構(例如採用乙太網路標準的技術)可達到更大的彈性。透過基礎架構技術和通訊協定的標準化，能夠以與其他模組化單元或擴展類似的方式管理對網路配置構成重大挑戰的拓樸差異。建立、維護和移除分層更具成本效益，而且耗時更少。
實際上，能夠將現今普渡模型中的自動化孤島障礙打破的統一基礎架構將建立連接的實體工業物件系統，而且物件能夠交換並且分析資料，藉以產生有價值的資訊。透過這樣的做法，工業物聯網可以在適當的時間和地點做出正確的決策，藉以將以前預先定義的流程轉變為真正的動態流程。
TSN為工業網路奠定統一基礎
最後，工業自動化和控制系統的未來是關於資訊和網際網路技術的整合(圖3)，這些技術持續滿足高可用性和即時通訊的需求，並且也支援成本和效益達到最佳平衡的新產品和創新解決方案開發。更準確來說，未來的統一網路基礎架構也需要確定性的通訊功能，這些功能可以確保效能和QoS，或甚至優於目前將自動化孤島隔離開的專用通訊協定。值得慶幸的是，標準組織和獨立供應商已經體認到工業4.0的潛在效益，並且共同努力為工業網路奠定新的統一基礎：時效性網路。
為了滿足統一確定性基礎架構的需求，TSN具備一系列標準，可透過標準乙太網路實現確定性訊息傳遞。根據電機電子工程師學會(IEEE)的定義，TSN涉及一種網路流量管理形式，可確保端點對端點傳輸延遲的確切時間範圍。因此，所有TSN裝置必須將本身的時鐘彼此同步，並使用共同時間參考來支援工業控制應用的即時通訊。雖然TSN標準最初是由IEEE開發而成，但重要的是要體認到TSN已超出主要的IEEE標準，而且這是許多國際組織和公司共同辛勤努力的成果。
早期的標準乙太網路無法保證資料傳輸，而且受到高延遲的影響。因此，需要高網路可靠性和可用性的產業開發本身的專用網路解決方案(例如，改進的乙太網路、Fieldbus)，用於工業控制系統和自動化。為了滿足製造業工業應用的高可用性和低延遲要求，傳統盡力傳送式乙太網路技術必須不斷發展，才能變得更有確定性。
TSN基本上是標準乙太網路技術發展的下一個階段，目的是滿足IIoT未來的需求。除了為乙太網路上的確定性服務提供一套標準之外，TSN也將許多不同的產業組織和市場領導廠商聚集在一起，共同實現工業4.0的全部潛力和數位化效用。
傳統的乙太網路技術通常包括採用盡力傳送式封包傳送的集線器和交換器。在大多數情況下，資料封包會依序成功傳遞，但不保證必定如此。雖然盡力傳送式網路可以充分運用於網頁瀏覽應用，但是工業控制應用需要更高的可用性、零封包遺失和更低的延遲。畢竟，如果不能保證資料封包傳送，關鍵控制資料可能無法適時傳送到正確的位置。
在20世紀80年代，製造商開始從機械或類比技術轉向數位技術時，雖然盡力傳送式乙太網路提供比傳統Fieldbus更高的頻寬，但是，對於需要高精度、可用性和有保證即時傳輸的工業控制系統而言，並不是適合的基礎架構選項。除了當時乙太網路技術的高成本之外，乙太網路重新傳輸演算法和衝突偵測尚無法滿足工業控制系統的效能要求。因此，製造商必須開發專用系統和通訊協定，才能透過確定性網路實現數位化。
不同於盡力傳送式網路，確定性網路支援下列服務：
．時間同步
．資源保留
．極低的封包遺失
．保證端點對端點延遲和頻寬
從乙太網路和工業自動化的早期開始，網路技術已經發生了很大變化。實際上，現代乙太網路技術甚至可以提供確定性服務，滿足以前需要專用系統和通訊協定的許多工業應用需求。由於融合網路的發展趨勢以及頻寬需求的相對應成長，真正確定性乙太網路可能比專用網路更具成本效益並符合未來需求。
為了實現能夠傳輸即時控制以及在工業設施中傳輸音訊/視訊的真正融合網路，IEEE 802.1工作小組的TSN任務群組正在為乙太網路上的確定性資料傳輸界定一套標準。做為一系列標準，TSN更像是一個工具箱，而不是多功能解決方案；要瞭解有哪些「工具」可用，以及每個工具有什麼作用，才能確定哪些工具適合什麼應用。
如表1所述的關鍵通訊協定所示，時效性網路標準主要著重於下列主要方面：
1.時間同步
2.延遲
3.可靠性
4.資源管理
正如名稱「時效性網路」所示，TSN需要所有網路設備採用IEEE 802.1AS(未來的IEEE 802.1AS-Rev)，這會界定定時和同步的標準。畢竟，所有終端裝置和乙太網路交換器之間的共享時間概念是確定性網路的其中一個關鍵特徵。此外，IEEE 802.1Qbv界定裝置須如何根據固定排程傳輸時間關鍵訊框，而且也要為共用相同線路的其他大量流量保留盡力傳送式通訊。除了網路基礎架構本身，TSN也需要一種新方法來處理資料流和需要更複雜計算的相對應需求。因此，IEEE 802.1Qcc界定啟用網路管理新方法的管理介面、機制和原則。
為了便於說明，TSN可以比擬為鐵路系統，列車類似於乙太網路資料訊框(圖4)。在這個例子中，乙太網路交換器和終端裝置就像火車站。想像一下，如果每個火車站顯示不同的當地時間，而不遵循整個系統的嚴格時間表，會發生什麼情況。如果列車從A站出發，而且火車站沒有共同時間參考，乘客如何知道列車何時抵達B站？這個問題正是鐵路開始規定標準鐵路旅客和列車時間的原因，也說明了為什麼工業網路需要時間同步。
