在被稱為工業 4.0 的轉型下，精明的制造商正忙于構思和創造未來的智慧工業企業。通過整合他們的信息技術 (IT) 和運營技術 (OT) 領域構建下一代智能系統，以優化可制造性，提高運營、增強客戶支持并分析工業物聯網 (IIoT) 提供的實時數據。物聯網最簡易的形式，是將嵌入式系統連接到更廣闊的世界；更廣泛地說，它包含資料分析、人工交互和安全性。
IIoT 最大麻煩：無法兼容協作，亦無法使用標準以太網
其挑戰在于：將四種必要的工業物聯網技術——網絡、處理、用戶接口 (UI) 和安全性，整合在一處。恩智浦 (NXP) 的QorIQ Layerscape LS1028A 處理器可滿足此需求。只有調整綁定每個領域的網絡，才能順利合并 IT 和 OT。因為每個領域在功能上差異很大，網絡架構也不盡相同。IT 領域包含將數據轉換為有用信息的系統，對于制造商來說，包括：會計、電子郵件和客戶關系管理 (CRM)，還包括制造特定的系統，例如，企業資源規劃 (ERP) 和物流這些基于電腦的系統。
其挑戰在于：將四種必要的工業物聯網技術——網絡、處理、用戶接口 (UI) 和安全性，整合在一處。恩智浦 (NXP) 的QorIQ Layerscape LS1028A 處理器可滿足此需求。只有調整綁定每個領域的網絡，才能順利合并 IT 和 OT。因為每個領域在功能上差異很大，網絡架構也不盡相同。IT 領域包含將數據轉換為有用信息的系統，對于制造商來說，包括：會計、電子郵件和客戶關系管理 (CRM)，還包括制造特定的系統，例如，企業資源規劃 (ERP) 和物流這些基于電腦的系統。
它們無硬性實時限制，可使用常規以太網存取；而 OT 領域包括用于將材料轉化為產品的系統，用于程控的實時嵌入式系統、工作管理和過程監控，工廠可使用工業以太網做適度調整，以提供實時響應并與傳統工業技術配合的技術通信協議。不幸的是，許多工業以太網協議既不能相互協作、亦無法使用標準以太網，這限制了技術供貨商的規模經濟，不利創新。通常，一臺機器可連到不同的工業以太網，且每臺機器會針對不同控制功能運行特定協議 (如圖 1 所示)。
圖 1：現代機器流程框圖
資料來源：AVNU 聯盟
TSN 讓網絡設備同步，流量整形＆準入控制也靠它
制造商必須部署網關，才能在不同網絡之間傳遞數據、或將數據傳送到 IT 系統。由于工業以太網協議的互操作性有限，并不十分適合工業 4.0；另一方面，基于 IT 系統的標準以太網亦無法滿足控制實時性能的系統需求。然而，IEEE 在 2004 年成立一個小組，專為消費者應用制訂音頻／視頻專業標準而設。此小組開發了一系列音頻／視頻橋接 (AVB) 標準，供網絡設備同步至同一時間基準 (借用 IEEE 1588 協議)、流量整形和準入控制之用。
制造商必須部署網關，才能在不同網絡之間傳遞數據、或將數據傳送到 IT 系統。由于工業以太網協議的互操作性有限，并不十分適合工業 4.0；另一方面，基于 IT 系統的標準以太網亦無法滿足控制實時性能的系統需求。然而，IEEE 在 2004 年成立一個小組，專為消費者應用制訂音頻／視頻專業標準而設。此小組開發了一系列音頻／視頻橋接 (AVB) 標準，供網絡設備同步至同一時間基準 (借用 IEEE 1588 協議)、流量整形和準入控制之用。
這些標準雖非完美適用于工業應用，但仍為精確管理以太網流量提供框架依據。IEEE 協會意識到將 AVB 用于工業用途的潛力，將其名稱改為＂時間敏感網絡＂(Time-Sensitive Networking ,TSN；或稱：時效性網絡)，并開始修訂 802 標準系列，以符合工業需求和汽車應用，同時改進專業音頻／視頻使用功能。新標準定義時間感知流量整形和策略，以啟用關鍵流量調度。為便于調度，新標準啟用＂優先使用非關鍵幀＂。冗余網絡路徑的新標準提高了網絡可靠性。
工業公司現在可部署單個 IEEE 標準以太網網絡，以承載 OT 系統的時間關鍵控制流量和 IT 系統的常規流量。現在，工業物聯網的關鍵網絡技術已有明確定義，企業可專注于 OT-IT 融合、以獲取工業 4.0 的戰略優勢。此外，正如網絡必須支持時間關鍵函數一樣，數據處理亦然；實時操作系統 (RTOS) 有助于確保 CPU 在到達啟用 TSN 的通信端口。響應控制數據報的能力還有助于 CPU 解決即將發生的事件處理器從其他輸入執行環路，以控制系統處理器的一部分。
表：TSN 新規范及工業應用案例
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TSN 規范 |
說明 |
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802.1AS-Rev |
計時和同步 |
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802.1Qav |
轉發和隊列增強功能 |
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802.1Qbv |
增強計劃流量 |
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802.1Qca |
路徑控制和預留 |
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802.1Qat |
保留協定 |
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802.1Qcc |
增強流保留協定 |
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802.1Qci |
過濾和策略 |
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802.1CB |
幀復制和消除可靠性 |
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802.1Qbu |
幀搶占 |
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802.1Qch |
循環排隊和轉發 |
數據處理亦要實時跟上腳步
這些循環每次運行約 30 微秒或更快，傳統的 IT 衍生操作系統無法支應自動化須增加嵌入式控制器之處理能力。更高的處理性能可減少控制回路定時、更快地移動機械臂和裝配線并增加工廠產量。它還可增加由單個運動控制器管理的軸數，使機器人具有更鉸接的接頭，可在更狹小的空間內操作、或執行上一代工廠機器人無法解決的任務——能從作業人員學習任務的機器人，需要圖像處理技術以配合新的機器學習算法。
商業 RTOS 包括來自風河 (Wind River) 的 VxWorks 和明導 (Mentor Graphics) 的 Nucleus。這些供貨商長期支持恩智浦 QorIQ 家族及其前身處理器。隨著工業級 Linux 興起，開源是另一種選擇，便于企業更敏捷地為系統添加新功能。有別于以 IT 為中心和非實時嵌入式 Linux 版本，工業級版本提供確定性、可管理性、工業網絡和 OT 所需的安全性。一種在 Linux 添加實時功能的方法是將 PREEMPT_RT 修補程序應用于內核，以消除軟件進程被另一進程無限期地阻礙。
此時，應用程序被編碼為一般的 Linux API。Xenomai 采取另一種方法是向 Linux 系統添加經典的 RTOS API，有助于將傳統 RTOS 應用程序移植到 Linux，并提供設備驅動程序以實時響應外圍設備，為 Linux 的實時性多一分保障。為緩解從傳統 RTOS 過渡到 Linux，恩智浦正與工業 Linux 社群合作集成各種實時增強功能和 TSN 堆棧，并保持標準 Linux 功能。處理能力也必須用于分析，物聯網不僅關系到嵌入式系統，亦與傳感器擷取、分析數據及指導系統響應密不可分。
人機接口是 IT 和 OT 融合的完美示例
雖然在云端服務器執行分析已屬平常，但考慮到數據傳輸與分析的數量、決策時間及數據專有性，制造業者往往會在本地處理制程數據。分析數據不僅可在工廠現場的電腦進行，生產機械內部也有足夠強大的處理器。除分析外，工業 4.0 系統的處理能力將用于遠程管理操作，使機器能自主相互協調并從鏈接生產數據和 IT 系統中提高效率。另一個要求處理能力的功能是人機接口 (HMI)。受到智能手機啟發，接口日益滲透到工業設備的世界。
雖然在云端服務器執行分析已屬平常，但考慮到數據傳輸與分析的數量、決策時間及數據專有性，制造業者往往會在本地處理制程數據。分析數據不僅可在工廠現場的電腦進行，生產機械內部也有足夠強大的處理器。除分析外，工業 4.0 系統的處理能力將用于遠程管理操作，使機器能自主相互協調并從鏈接生產數據和 IT 系統中提高效率。另一個要求處理能力的功能是人機接口 (HMI)。受到智能手機啟發，接口日益滲透到工業設備的世界。
便于使用的可視化接口或多點觸控平板可嵌入任何工業設備，簡化了操作機器的過程。高分辨率屏幕允許查看高清 (或更好的) 攝影機檢測輸出貨物。驅動這些屏幕將是在智能手機中相同類型的圖形處理單元 (GPU)。盡管這些 GPU 的 3D 性能在智能手機中會因成本和功耗考慮而降低性能，但仍將支持大型高分辨率屏幕、圖形迭加、視頻、文本和順暢的用戶接口。HMI 是現代數字技術中，IT 和 OT 系統需要融合的完美示例。
圖2：HMI 面板示例
HMI 應用程序普遍使用 JAVA SDK 或基于 Web 的工具組建，可加速開發并允許工廠擁有者輕松升級整個流程；惟需連接到典型 IT 網絡，為 HMI 啟用軟件更新或提供與 Web 服務器的持續連接。值得留意的是，這些用于控制工業機械的 HMI，還必須與 OT 領域連接提供安全控制。過去，操作是孤立的、幾乎不受外界影響，但 OT 和 IT 的融合亦增加安全風險。黑客需要物理鏈接來攻擊電腦，OT 和 IT 的融合將侵蝕隔離操作的障礙，以便在系統之間共享信息、提高效率。
設置黑客障礙，卻不能丟失數據流的滲透性
這種情況下，必須設置新的障礙以確保系統完整性，并保持數據流的滲透性。設備制造商的第一步是保護其設備，他們必須確保其系統僅執行經批準的軟件，并安全地連接到其他系統。這些系統必須安全調試并定期更新，防止硬件或軟件被篡改。尤其工業環境中的財務和安全風險較高，進而放大了安全系統的必要性。恩智浦新型單芯片處理器 QorIQ Layerscape LS1028A，讓工業 4.0 設備制造商可盡快融入最先進的網絡、處理、HMI 和設計安全性。
這種情況下，必須設置新的障礙以確保系統完整性，并保持數據流的滲透性。設備制造商的第一步是保護其設備，他們必須確保其系統僅執行經批準的軟件，并安全地連接到其他系統。這些系統必須安全調試并定期更新，防止硬件或軟件被篡改。尤其工業環境中的財務和安全風險較高，進而放大了安全系統的必要性。恩智浦新型單芯片處理器 QorIQ Layerscape LS1028A，讓工業 4.0 設備制造商可盡快融入最先進的網絡、處理、HMI 和設計安全性。
LS1028 集成一個四端口千兆以太網交換器和兩個附加以太網端口，運行速度高達 2.5Gbps，可實現 TSN 協議；另內建兩個強大的 64 位 ARM CPU 提供所需的運算性能，適用于現代工業應用和 RTOS。處理器的 GPU 和 LCD 接口允許支持高分辨率顯示器和觸摸屏輸入。該處理器集成了恩智浦的信任架構，有助于實現物聯網安全性；而用于 LS1028A 的恩智浦軟件包包括開源工業 Linux SDK，亦具備實時性并支持 TSN 標準。
