TSN統合OT/IT網路 即時資料互通再創生產力

2022-10-12
過去30多年來,四零四科技(Moxa)參與國際多種標準通訊組織及自動化通訊協會,積極扮演橋接角色,把通訊技術銜接到製造現場。

自2016年更進一步投入推廣IEEE 802.1乙太網路標準延伸的時效性網路(Time-Sensitive Networking,TSN),攜手各大工業自動化領域的合作夥伴,建構統合式乙太網路,輔助工業物聯網(IIoT)落實數位化應用。至今Moxa參與的TSN測試床,包含工業網際網路聯盟(IIC)、實驗室網路工業4.0(LNI 4.0)、邊緣運算聯盟(ECC)OPC/TSN、工業互聯網產業聯盟(AII)、中國電子技術標準化研究院(CESI),以及台灣資策會TSN測試床,確保工業場域技術整合得以順暢運行。

對於工業物聯網應用場域而言,網路連線機制基本須具備低延遲,藉由TSN可以減少訊號抖動(Jitter)避免封包遞送延遲、保證時間同步,在無人巡檢、擴增實境/虛擬實境(AR/VR)、安全監控等應用展現效益。Moxa TSN全球推進計畫負責人林俊余指出,Moxa發展至今已可更進一步擴展至點對點通訊元件,讓邊緣運算、無線網路等應用場域實踐,以客製化工廠為例,TSN網路得以把過往分散部署的系統溝通管道予以統一,涵蓋ERP(企業資源規畫)、MES(製造執行系統)等IT與OT系統,全數藉由邊緣運算輔助運行,即時因應訂單調整製程,並且藉由即時資料蒐集,掌握現場設備狀態指標,建立預防性維護的排程。

基於開放標準建構統一網路生態鏈 

過去製造業追求的是規模經濟,運用快速、可大量複製的工作流程生產更多產品,達到經濟規模。但近年來遭遇缺工、缺料問題,林俊余觀察,尤其是「去全球化」趨勢推升生產成本大幅增加,如今企業更關注的是適應性經濟,意味著可因應需求即時地改變生產。

隨著製造程序的改變,核心網路架構亦將隨之異動。林俊余說明,以往工廠場域部署單一應用系統執行特定任務,對於需要即時因應需求改變調整的自動化系統,單體式應用系統反而成為孤島,藉由底層建立統一網路接取方式為必然過程,唯有增進低延遲、穩定的傳輸能力,才得以快速地蒐集資料、即時分析處理,進而調整製程參數,來滿足瞬息萬變的市場需求。

「開放標準的統一網路是自動化必須具備的要素,才能達到效能、彈性、可靠、安全的目標。」林俊余強調。對於IT環境而言,統一網路溝通方式本就理所應當,但是在OT環境卻非如此。許多老舊廠區因營運業務不同,採購建置的設備機台差異性極大,自然形成孤島狀況,整合的難度極高,TSN即是協助統合式網路架構的關鍵,藉由TSN建立生態系,從底層網路打通上層應用彼此皆可完整介接,並非單一廠商力量可達成,而是藉由TSN發展的生態鏈攜手實踐。

凝聚生態系破除工業應用整合障礙

工業設備廠商為了精準解析封包內容,調整標準協定的格式或欄位成為專屬通訊協定,讓自家製造的機器可加速判讀。林俊余說明,TSN核心精神並非為改變封包格式,作法較類似無線網路的分時多工(Time Division Multiple Access,TDMA)技術,在相同管道中制定傳輸時間點,即使遞送過程中經過多台交換器節點,只要把時間加總即可計算出封包抵達目的地的時間。

TSN主要用以解決四大困境,第一是網路設備時間的同步;第二是排程,運用分時多工技術在一致時間基礎上準確地傳遞資訊;第三是可靠度,網路連線只要發生單點故障勢必出錯,因此得運用冗餘、備援機制,確保資料傳遞正確性;第四是可管理性,確保定義的標準格式與資料結構,讓工單需求轉換成排程機制。

在工業領域探討網路整合專屬協定的應用系統,目的在於確保可管理性。IT人員認知中,網路層級的可管理性主要是VLAN、IP位址等設定配置,但工業領域的可管理性則是專注於製造流程,例如機械手臂上的多個馬達,必須在相同秒數瞬間轉向各自定位,須由資訊系統與網路設定參數相互配合才可達成。

Moxa理解前述的四大困境並非單一廠商可解決,涉及的領域涵蓋網路傳輸、應用系統、現場操作流程等環節,勢必得藉由組成生態系共同來推展,讓異質領域的技術供應商納入支援TSN,整體應用才得以成功運行。「在工業4.0浪潮下,製造商的願景更加凝聚,使得推動TSN計畫時可獲得較多認同感,運用標準化技術協助建構統一基礎架構,讓現場操作者得以易於上手,開展更多創新應用。」林俊余說。

工業級網路管理軟體輔助維運

Moxa從2016年開始投入推廣TSN以來,攜手各大工業自動化領域的合作夥伴,共創許多實際應用案例。底層網路互通之後,應用層整合運行可說是展現價值的關鍵,腳步較快的領域為自動化與軌道交通。

林俊余說明,軌道交通包含鐵路、高鐵等系統,過去皆為分散部署,尤其是安全控制與列車控制關鍵應用系統的網路環境,不得連通娛樂系統。過去為了達到優化,應用系統底層網路大多為切割、獨立運行環境。在數位轉型驅動下,已運用TSN標準來實現統合網路,讓應用系統不致於相互干擾。

CNC(電腦數值控制)工具機製造商亦是工業領域典型案例,以往較常遇到的問題是為了解決不同軸速,運用不同工業協定各自設計為異質系統,造成工廠需要部署較多控制器,在特定工作環節控制相關速度。支援TSN技術的CNC機台,即可把不同系統整合在相同網路來提供,讓機器協作與效能有效提升。

Moxa TSN全球推進計畫負責人林俊余指出,Moxa致力於提出標準規範讓應用場域導入後降低建置與維護成本,進而運用新興資訊科技的力量,達到轉型的目標。

此外,Moxa為工業物聯網應用場域提供的IIoT閘道器,搭載Moxa Industrial Linux(基於Debian 9核心)作業系統,提供10年的軟體生命週期管理,確保安全漏洞得以即時修補更新。搭配ThingsPro Edge軟體套件,可基於標準RESTful API介接,確保資料從OT設備傳遞到Azure或AWS雲端平台的安全性與穩定性。

為了降低OT工程師維運網路的門檻,Moxa累積超過30年的工業自動化網路經驗,轉化為iNOC(工業網路維運中心)服務,OT工程師可透過Moxa提供的OT NMS MXview軟體,以直覺易於上手的圖形化操作介面,即時監控有線與無線網路接取設備運行狀態,來提高故障排除效率。


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