工業自動化由來已久 聯網技術代代相傳
工業自動化與通訊網路(簡稱工業網路)的發展史，可追溯到20世紀初期。當時製程控制與生產系統，都是採用機械科技搭配類比裝置，以透過中控系統來遙控，這些技術至今仍非常普遍。到了1960年代，工業自動化便從類比時代進入數位時代。由於數位化電腦的出現，廠商開始使用數位化電腦來當作各種工具機的數位控制器，並配置直接數位控制(Direct Digital Control, DDC)的專屬面板，成為工業自動化儀器的主要操控模式。
由於工廠需求要更穩定耐用，因此可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)被開發出來，並大量應用於工廠自動化。到了1980年代，區域網路(Local Area Network, LAN)技術的出現，不僅讓電腦之間可以互相連接、傳遞資料，同時也可以連接各種自動化設備以便控制。而LAN的標準中，又以迪吉多(DEC)、英特爾(Intel)和全錄(Xerox)共同開發出來的乙太網(Ethernet)為主流。當時最早的工業網路，主要是應用在各種生產過程的資料蒐集，到了1990年代，自動化控制網路逐漸蔓延開來。
因應不同需求 工業網路走向多層架構
近20年來，在資訊科技、通訊技術與工業技術的進步之下，工業自動化已經躍升到嶄新的階段，以工業網路來說，各種光纖、無線網路技術的應用也陸續導入工廠環境。工業自動化根據不同產業特性與需求，其所衍生出來的自動控制系統也有所不同，若照系統輸出與輸入量的關係，可分出線性、非線性控制系統，不同系統有不同的通訊標準。以目前的工業自動化網路技術來說，可以分成5個層級，從低至高分別是：場域(Field)層、控制(Control)層、監控(Supervisory)層、計畫(Planning)層、管理(Management)層。
在第一層的場域層中，主要是由感測器(Sensors)和致動器(Actuators)組成，採用的通訊技術則有控制器區域網路(CAN)、DeviceNet、Honeywell SDS、ASI、Bitbus、Profinet、P-Net、Seriplex、Sercos Interface等Sensorbus的工業匯流排標準。再往上的控制層，就可分成PC(以PC為主的控制系統)、PLC控制器、DCS(分散式控制系統)等控制系統，再加上CNC機台，就有Profibus、World FIP、EtherCAT以及 Profinet等領域匯流排(Fieldbus)的工業通訊標準。
到了第三層，這些以PC為主的工業電腦，來做監視、控制、處理、蒐集，因此所使用的工業網路通訊協定標準，則涵蓋了Ethernet、MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP、Profinet等區域網路的通訊標準。而更上層則包含了計畫與管理層使用一般或商業PC，則使用有線乙太網標準，並建構廣域網路(WAN)的環境。工業網路標準的演進 工業乙太網將成主流,傳統的工廠環境中，每個生產設備大多是採用獨立的系統與工業標準，因此每個機台都只能獨立作業，其顯示的數值、產生報表等各種資訊，是無法與其他機台共享的，這是因為早期的機台並未有標準的通訊協定，使得各廠商各自開發自己的通訊協定或標準，讓工廠機台的資訊整合不易。
開放特性有助資訊整合 乙太網漸成主流
雖然有些機台提供傳統、速度慢的傳輸介面，例如RS232、RS422、RS485、
Modbus、CC-Link等。隨著資通訊科技的進步、網際網路流行，促使乙太網與Wi-Fi無線通訊技術發展成熟，加上近年來雲端應用、物聯網等新興議題，促使各產業的上下游資訊走向透通化，產業鏈的資訊整合成為企業的發展趨勢，促使工業領域吹起採用開放的乙太網路標準，以利於資訊整合，以提供給供應商或客戶，創造更多價值。
工業乙太網路(Industrial Ethernet)採用乙太網路的TCP/IP通訊協定，相容於IEEE 802.3標準，並會搭配不同的應用層來聯繫各自特有的協定，例如PROFINET 、Modbus-TCP、EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS III、SafetyNET p、VARAN以及Ethernet Powerlink等，讓硬體設備廠商捨棄傳統Serial Port而改用Ethernet Port，使用者就能利用一般CAT-5e網路線，來與其他設備或工業電腦做連線，不需額外的硬體配備。
此外，使用乙太網路的機台，不僅速度比傳統通訊埠還快，且既有的網路中繼器(Hub)、交換器(Switching Hub)、路由器(Router)、甚至無線基地台(Wi-Fi AP)等網通裝置都可以直接沿用，省下特製工廠集線設備的購置成本，因此工業乙太網路勢必將成為整合工廠內所有設備的開放標準。
物聯網、雲端應用催生工業網路邁向無線發展，德國發起工業4.0概念，催生工廠導入Cyber-Physical智動化量產系統，並結合物聯網、巨量資料、雲端服務等技術，來提升企業整體競爭力，因此更將推動工廠自動化機台朝向整合有線/無線通訊多面相來發展。所以選擇可靠度、即時性、資訊安全、穩定性的工業級產品極其重要，這也是跨越工業4.0建構彈性的通訊管道必經之路。
因應物聯網之需求及執行，工廠的各式資訊將從封閉走向更開放的空間，管理者以往必須在工廠的機台內才能做設備管控，未來可能發展到能夠利用手機或平板App，透過無線網路或4G甚至5G行動網路，連接至雲端入口網站或公司內部的MES系統，以便對工廠的設備進行遠端操作，達到運籌帷幄的工廠自動化設備管控與監督。因此，未來的工業網路標準發展，除了提升傳輸效能、可靠度、穩定性之外，也必須提供加密能力，以保障工廠的各項營運機密不至於外流，或遭駭客攻擊。
工業4.0驅動工業乙太網走向TSN
回顧各國發展工業4.0之戰略，其推動目標多著重在強化企業技術創新主體地位、導入新興科技(如精密機器人、尖端智慧控制等)以提升資源生產率和利用效率、建立創新生產與商業模式(如互聯網化)以創造更多價值機會、及提高國家科研投入並強化重點科研領域/項目之研發。而各國採用的戰略內涵包含提高科技創新的研發預算、支援科技創新人才的投資、鼓勵開放式創新活動、透過科技創新活絡地方發展、深化與海外成長市場的鏈結及擴大研發投資並進行制度的改革等。由於傳統乙太網路無法針對頻寬保留提供足夠的功能，在2000年時，許多自動化專家開始發展自己的乙太網路延伸技術。然而他們採取的途徑差異極大，從以下各種途徑的介紹就能看出它們的差別。
有些通訊協定採用乙太網路作為Fieldbus的傳輸媒介。這些通訊協定聲稱能為自己完全控制乙太網路的傳輸媒介。典型TCP/IP通訊只能透過EtherCAT與POWERLINK或由Sercos指派一個通道，以捎帶(Piggyback)的方式進行傳輸。Fieldbus則牢牢掌握頻寬控制的權限。有些通訊協定透過乙太網路上的時間分割(Time Slicing)程序來確保頻寬保留。這裡就該提到PROFINET IRT。IRT在能一條纜線上進行高確定性的即時資料傳輸。
基於大量資訊需要及時穩定交流所以各國重要大廠積極發展5G和工業物聯網(IIoT)，TSN為通訊產業的三大趨勢，但三者之間並無依賴關係。卻是工業網路發展必須的重要元素.5G為新一代行動網路，TSN完全符合工業驅動產的需求為搶攻裝置端AI晶片市場，各界聯手成立AITA聯盟，戰略布局人工智慧新藍海。IIoT則是能改善整個產業的全新業務方式。西門子(Siemens)和博世(Bosch)等工業巨擘已推廣此概念一段時間，想用工業4.0結合先進的通訊和自動化來推動製造業的發展。通訊為工業4.0的核心，而5G的低延遲、高容量和Gb級連線速度，TSN 時間同步可將IIoT提升到全新水準。這對整個行動產業來說都是提供所需網路、設備和應用的龐大機會。
西門子工業(Siemens Industrial)科技長Alan Norbury曾指出，工業4.0的特點是大數據、智慧演算法、機器人、3D列印、虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)和虛實整合系統(CPS)。工業機器將互相通訊，共享可供分析的數據，並做出即時、自動化的決策。
Norbury表示，數位化改變了人們的生活和製造產品的方式。新的商業模式將能預測消費者的需求。雖然汽車製造業等高價值行業已能提供高度個性化的產品，但其他企業也能這樣做來增加價值。例如在同條產線上定制燕麥片，以及基於個人對特定藥物的反應來生產更個性化的藥物。而創建一個數位雙胞胎(Digital Twin)，能讓企業在沒有後果的情況下先做測試。此外，Norbury也表示，企業首先應看看可連接哪些設備，其次是如何連接。透過低功率廣域網路(LPWAN)降低功耗和增加物聯網(IoT)標準的範圍已引起很多關注。諸如智慧電表或農業感測器之類的連網設備，久久才需要將很少量的數據傳送到很長距離外，因此重點在於延長使用壽命。
對IIoT來說，情況正好相反，許多關鍵任務、數據密集型機器都在附近。此外，VR/AR、連網車等應用需以足夠頻寬穩定地連線。有些IIoT部署已使用使用未許可頻譜的4G網路，但5G能讓這種情況以前所未有的規模發生。無論是否有電信商參與，本地化的5G網路都能將工業4.0轉變為工業4.0 Advanced Pro。
另外， TSN這類符合IEEE 802.1規範的標準乙太網路延伸技術，突破過去面臨的各種限制，現在都已發展成熟。因此目前在ISO七層模型中有一個標準化Layer 2分層，除了能和先前的乙太網路維持向上相容性，還擁有硬性即時(Hard Real-time)的通訊能力。透過802.1AS-rev，TSN還定義一種互通、統一的方法，用來在網路中針對分散時脈進行同步化。由於最佳狀態(Best Effort)通訊永遠都伴隨TSN出現，因此纜線共用的情境不僅適用於硬性即時應用，也適用於其他應用(像是網頁伺服器、SSH等)。這方面TSN和PROFINET IRT沒有差別，還提供相近的效能。TSN新增的特性在於需要更全面的網路設定，集中化或去集中化組態都是可行的作法。兩種組態都被各界廣為探討與建置。兩種組態機制之間的互通性則是未來發展的目標。
TSN勝過以往工業乙太網路的最大技術優勢在於其擴充性。不同於現有工業網路，TSN不是針對特定傳輸率進行定義。不論是100Mbps、1Gbps、10Mbps或5Gbps，TSN都一體適用。此外，它還讓各種拓撲能更妥善地最佳化，因為能針對不同網段選用調適的資料傳輸率。不論是Gbps、100Mbps或10Mbps，統一式Layer 2為IEEE 802.1/TSN都適用。
TSN讓所有工業通訊有機會建立一統化的基礎。TSN一旦推出，ISO七層模型中的第一、二、三層在工業領域進行統合。這也會讓擴充性與效能提升到全新的層次。工業4.0或IIoT的元素已經被大量推廣應用被部署。5G以及TSN產品陸續被應用在工業領域，行動網路顯然將發揮重要作用，這些新的網路技術將是加速推動智慧製造的發展。
