導入工業物聯網不必瞎子摸象 智能工廠連網有一套
作者：呂(lv)百舟 來源：2cm
工業物(wu)聯網(wang)（IIOT）仰賴(lai)裝(zhuang)置(zhi)、傳(chuan)感器和(he)營(ying)(ying)運(yun)(yun)控制軟件(MES)之(zhi)間全面(mian)性的(de)連(lian)(lian)(lian)接。導入該架構的(de)三(san)項(xiang)必(bi)要考慮點、四項(xiang)建設(she)流(liu)程，將設(she)備運(yun)(yun)算連(lian)(lian)(lian)網(wang)和(he)通訊協議(yi)轉換概念納入，以成(cheng)就高效率的(de)工廠(chang)營(ying)(ying)運(yun)(yun)、裝(zhuang)置(zhi)連(lian)(lian)(lian)網(wang)和(he)工廠(chang)智能化為目標。
工(gong)業(ye)4.0或(huo)工(gong)業(ye)物聯網(wang)(wang)，對很(hen)多生產制造的企(qi)業(ye)，是既(ji)期待又怕(pa)受傷(shang)害的概念及決(jue)策(ce)。隨著工(gong)廠邁(mai)向(xiang)智慧自(zi)動化，工(gong)業(ye)物聯網(wang)(wang)對于(yu)工(gong)廠的生產質量(liang)、資產效益、網(wang)(wang)絡安全性和成本有極大的競(jing)爭優(you)勢提升。
工業(ye)(ye)4.0及工業(ye)(ye)物(wu)聯(lian)網的概念(nian)皆是將企業(ye)(ye)運作(zuo)系統(tong)、裝置和用戶一并(bing)聯(lian)機至互聯(lian)網，以提升運作(zuo)效(xiao)率及營運效(xiao)益，導入創新以成就競爭優勢。
鏈接/數據處理/網絡安全 三大考慮不可少
過去20年至今，IT結合自動化處理在能(neng)(neng)源、大(da)眾運輸、城市(shi)基礎設施和制造(zao)方面(mian)的問(wen)題，而工廠(chang)(chang)早已開(kai)始探索(suo)工業物聯(lian)(lian)網的解(jie)決方案(an)。接下來將一(yi)一(yi)列述(shu)布(bu)建(jian)(jian)工業物聯(lian)(lian)網的三項必要考慮點、四項建(jian)(jian)設流程，將設備運算連(lian)(lian)網和通訊協議(yi)轉換概念(nian)納(na)入，以成就高效率(lv)的工廠(chang)(chang)營運、裝置連(lian)(lian)網和工廠(chang)(chang)智能(neng)(neng)化為目(mu)標(biao)。
物聯網連結
工業物聯網(wang)仰賴裝(zhuang)置、傳感器和(he)營(ying)運(yun)控制(zhi)軟件(jian)(Manufacturing Execution Software, MES)全面性的(de)(de)連接(jie)。對于Fieldbus、工廠(chang)層(ceng)級網(wang)絡(luo)、控制(zhi)層(ceng)和(he)各(ge)類工業營(ying)運(yun)應(ying)用，在過去是(shi)明確界定(ding)廠(chang)務管理及(ji)IT系統各(ge)司其職，卻不適合(he)整體(ti)營(ying)運(yun)優化(hua)及(ji)擴(kuo)張。例如(ru)：如(ru)果(guo)有好(hao)幾臺(tai)計算(suan)機數(shu)值控制(zhi)工具機(CNC)須連接(jie)至公司全球(qiu)中控中心網(wang)絡(luo)，將導(dao)致功能受限、復雜(za)度增(zeng)加且成(cheng)本提高(gao)。工業物聯網(wang)建構(gou)時，為達到連結(jie)流暢(chang)度，必須了(le)解(jie)裝(zhuang)置、通訊協議、實體(ti)接(jie)口，以及(ji)工廠(chang)和(he)相關工作(zuo)站間(jian)的(de)(de)連結(jie)方式(shi)。
將數據轉為有效信息
現代(dai)的工業(ye)制造(zao)設(she)備會產(chan)生大量的數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)。設(she)備連(lian)結增(zeng)加(jia)，位移傳感器也彼此自行連(lian)網(wang)，突破PLC障礙。專研企業(ye)大數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)的公(gong)司試圖利用數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)群集分析，將(jiang)B2C范疇的數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)分析方式運用于工業(ye)自動化，但(dan)是由于連(lian)網(wang)不夠完整(zheng)、設(she)施復雜及數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)龐雜性，至今成效有限。透過工業(ye)網(wang)絡帶(dai)寬增(zeng)加(jia)，配合可調(diao)控智能計(ji)算機的運用，工廠才能實時匯整(zheng)所需數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)進行擴張。
隨著營運數據(ju)的(de)累積，硬件也須有對應的(de)擴充性，讓管理(li)者能(neng)很快(kuai)透(tou)過(guo)實(shi)時分析(xi)來補足工廠與局域網絡間的(de)信(xin)息斷層，達到顯著的(de)效益。根據(ju)麥肯錫國際(McKinsey)的(de)研(yan)究指出(chu)，透(tou)過(guo)現場數據(ju)收集并優化，產量可以提升(sheng)3.7%(相(xiang)當于每年(nian)約2,000萬(wan)美元(yuan))。
由于工業(ye)級(ji)網絡的數據(ju)量相當龐大，數據(ju)傳輸和儲(chu)存并(bing)不容易。但(dan)透過嵌入式計(ji)算機和工業(ye)無線網絡，可(ke)降(jiang)低成本(ben)，并(bing)能夠(gou)(gou)提(ti)供串流信息的有效處理及儲(chu)存，不同于以往(wang)，當異(yi)常(chang)發生(sheng)時，中控室便(bian)會立(li)即收到(dao)訊息。這些(xie)網絡信息能夠(gou)(gou)提(ti)供預防性(xing)處理參考，延長產(chan)品壽命，并(bing)發現(xian)潛在問(wen)題，提(ti)升投(tou)資(zi)效益(yi)，可(ke)協助(zhu)營運轉虧(kui)為(wei)盈，提(ti)高營業(ye)利益(yi)。
網絡安全
工(gong)業(ye)物聯網(wang)(wang)是讓分(fen)析(xi)在(zai)(zai)局(ju)(ju)域(yu)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)層(ceng)級進(jin)行(xing)，目的(de)(de)是讓機器(qi)及(ji)傳感(gan)器(qi)可(ke)(ke)(ke)(ke)在(zai)(zai)局(ju)(ju)域(yu)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)內(nei)分(fen)享數據并(bing)分(fen)析(xi)，先行(xing)達(da)到(dao)優化。局(ju)(ju)域(yu)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)(LAN)的(de)(de)智能(neng)化可(ke)(ke)(ke)(ke)降低(di)中心運算及(ji)帶寬需求，并(bing)可(ke)(ke)(ke)(ke)降低(di)對(dui)整體網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)安全(quan)造成的(de)(de)風險(xian)。換句話(hua)說，可(ke)(ke)(ke)(ke)將以往大規模的(de)(de)企(qi)業(ye)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)，轉化成區域(yu)性(xing)子網(wang)(wang)系統。當(dang)在(zai)(zai)建構網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)時，應(ying)考(kao)慮其(qi)備援機制、防(fang)火(huo)墻策略性(xing)設置，網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)故(gu)障或(huo)遭入(ru)侵的(de)(de)可(ke)(ke)(ke)(ke)能(neng)性(xing)。在(zai)(zai)設計(ji)智能(neng)型工(gong)廠解決方(fang)案時，應(ying)注(zhu)意和考(kao)慮網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)聯機的(de)(de)效能(neng)、可(ke)(ke)(ke)(ke)靠性(xing)及(ji)安全(quan)防(fang)護。
評估/擬定/盤點/導入 四大流程面面俱到
規劃建(jian)置前，首要為明(ming)確(que)設定目(mu)標，擬定目(mu)標時，容易(yi)傾向遵循過往方式而忽略異于傳(chuan)統(tong)的解決(jue)方案(an)。將營運目(mu)標傳(chuan)達給(gei)供貨商或系統(tong)整合商，在(zai)一開始網絡結(jie)構及(ji)鏈接度等技術討論與考慮(lv)，才能(neng)有穩固的基礎(chu)架礎(chu)。
接著列出營運問題癥結點，并簡明扼要闡(chan)述(shu)目標，針對(dui)各(ge)問題逐一確(que)認解決(jue)方式及流程。以下為建議的(de)智能工廠設計流程。
評估分析營運困難點
營運問題可能是環境和技術因素，或企業內部流(liu)程改(gai)善(shan)需求。解(jie)決(jue)問題可具體如改(gai)變舊式網絡聯機升級為以太網絡，或廣泛設定將(jiang)未來五(wu)年公(gong)司制造成本降低10%。
依據營運(yun)問題的不同(tong)，皆有不同(tong)解決方案。例如(ru)：機(ji)械建造(zao)公(gong)司已(yi)經使(shi)用多年(nian)計(ji)算機(ji)整合制造(zao)(Computer Integrated Manufacturing, CIM)系統。由于(yu)公(gong)司并(bing)購，既(ji)有系統需導(dao)入(ru)新(xin)的操(cao)作系統(MES)并(bing)改變制程控制標(biao)準(zhun)流(liu)程。CIM系統架構因為不符合整合要求，以(yi)至效(xiao)能不彰。
淘汰(tai)CIM操作系(xi)(xi)統(tong)并不(bu)是解決問題的(de)唯(wei)一方式，整(zheng)體設備的(de)效率必(bi)須(xu)要提(ti)升，還必(bi)須(xu)可以跟全公司的(de)運作系(xi)(xi)統(tong)互通。例如采用智能型(xing)I/O進(jin)行(xing)狀(zhuang)態監視，協助優(you)化既有的(de)CIM并連網(wang)至MES，可提(ti)高(gao)設備效率，達成制程一致(zhi)性。
擬定營運目標
以(yi)(yi)問題癥結點(dian)為核心，擬定營(ying)運目(mu)標并以(yi)(yi)重要性(xing)設(she)定優先(xian)級，可辨別任務(wu)關鍵性(xing)及其效益。公司、整合(he)商和供貨商可選(xuan)擇最適當的智能(neng)型廠區解(jie)決方案，確保項(xiang)目(mu)完成(cheng)時達成(cheng)營(ying)運目(mu)標，同(tong)時考慮長(chang)期(qi)營(ying)運和成(cheng)本維護，預先(xian)設(she)定未來(lai)擴充或縮減需求(圖1)。
圖1 工業物(wu)聯網規(gui)劃工作表范例格式
例如：飲料(liao)公司的(de)(de)(de)廠(chang)區管(guan)理者面臨對生產線的(de)(de)(de)掌(zhang)握及控(kong)(kong)制不足，決定(ding)今年目標除了(le)降(jiang)低人事(shi)成本外，并將既有裝瓶生產線連接(jie)到(dao)新的(de)(de)(de)MES系(xi)統(tong)，以(yi)加強管(guan)理層(ceng)的(de)(de)(de)控(kong)(kong)制和(he)掌(zhang)握度。計劃是，先將廠(chang)區MES儀表板中生產線1至(zhi)8的(de)(de)(de)傳感(gan)器(qi)(qi)設定(ding)達(da)成最大的(de)(de)(de)實時(shi)顯示度，從中稽(ji)核傳感(gan)器(qi)(qi)和(he)通訊協(xie)議，了(le)解其適合(he)的(de)(de)(de)解決方案，以(yi)將各種傳感(gan)器(qi)(qi)和(he)致動器(qi)(qi)連接(jie)到(dao)SCADA系(xi)統(tong)，再進(jin)一步連結至(zhi)MES。因此，協(xie)同經銷商、系(xi)統(tong)整合(he)商與系(xi)統(tong)供(gong)貨商進(jin)行網絡稽(ji)核為必要事(shi)項。
了解主要流程互通狀況
智能型(xing)廠區的(de)連網(wang)挑戰是通(tong)訊(xun)(xun)(xun)協議劃分(fen)，端視特定作業而定，可能會(hui)連接互不兼容(rong)或專屬Fieldbus自(zi)動化通(tong)訊(xun)(xun)(xun)協議。須確(que)認內(nei)部資(zi)源、歷(li)史記(ji)錄、產(chan)品裝置、端節(jie)點和設(she)備，而后記(ji)錄其(qi)對應的(de)通(tong)訊(xun)(xun)(xun)協議、實體接口(kou)、廠區地點和作業用途(tu)，才能了解(jie)各自(zi)的(de)通(tong)訊(xun)(xun)(xun)協議。同時(shi)讓供貨商或系統(tong)整(zheng)合(he)商了解(jie)技術(shu)、裝置或設(she)備相關的(de)任何限(xian)制(zhi)及需求(qiu)。
借助實施網絡(luo)稽核(he)，確認營運(yun)(yun)困難點和目標并與相(xiang)關單位溝通，即(ji)可部署連網計(ji)劃。運(yun)(yun)用連網和網絡(luo)自動化解(jie)決方案(an)(an)的(de)專業知識實現營運(yun)(yun)目標概念(nian)，并以訂制(zhi)解(jie)決方案(an)(an)符合稽核(he)表要(yao)點(圖2)。
圖2 工業(ye)設(she)備連網自動(dong)化(hua)稽核(he)格式范(fan)例(li)
例(li)如：現(xian)今(jin)的(de)(de)(de)MES能夠支持(chi)全廠區(qu)(qu)(qu)(qu)連網(wang)，但無法進行大規模(mo)的(de)(de)(de)系(xi)(xi)統(tong)(tong)診斷和生產分(fen)(fen)析。因此(ci)廠區(qu)(qu)(qu)(qu)營運經理必須(xu)整合既(ji)有(you)I/O設備(bei)，以更(geng)有(you)效落實接(jie)口設備(bei)智能化(hua)。透過(guo)位移(yi)傳(chuan)感(gan)器與系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)整合至廠區(qu)(qu)(qu)(qu)既(ji)有(you)的(de)(de)(de)SCADA系(xi)(xi)統(tong)(tong)內，以及接(jie)口設備(bei)計算，可讓系(xi)(xi)統(tong)(tong)達(da)到實時分(fen)(fen)析并(bing)優化(hua)生產線。而帶寬和局(ju)域(yu)網(wang)絡(luo)效能的(de)(de)(de)提升(sheng)，得以支持(chi)龐(pang)大的(de)(de)(de)數據量從傳(chuan)感(gan)器傳(chuan)輸至MES。為確(que)保系(xi)(xi)統(tong)(tong)穩(wen)定(ding)及安全性，區(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)子系(xi)(xi)統(tong)(tong)網(wang)絡(luo)和防火墻區(qu)(qu)(qu)(qu)塊設計必須(xu)納入解決(jue)方(fang)案中。為了達(da)到此(ci)效益，營運經理必須(xu)掌握(wo)所有(you)資源、傳(chuan)感(gan)器、裝置(zhi)，對應其通訊協議及實體(ti)接(jie)口，依據工作(zuo)流程分(fen)(fen)類載記(ji)，將所有(you)細節納入連網(wang)解決(jue)方(fang)案。
衡量效益選用適切連網方案
投(tou)資(zi)成效(xiao)的(de)驗證并不容易(yi)，尤(you)其當所(suo)要改變(bian)的(de)專業(ye)(ye)領域為僅占(zhan)整體營運中特定的(de)制造作業(ye)(ye)流程(cheng)。透過(guo)明確的(de)營運成本(ben)及資(zi)金(jin)效(xiao)益(yi)預估，才能顯現智能型連網廠區投(tou)資(zi)的(de)隱藏成本(ben)和效(xiao)益(yi)。經由審慎的(de)資(zi)金(jin)預估，結合初期投(tou)資(zi)報酬(chou)率(lv)，可有效(xiao)量化營運效(xiao)益(yi)。
例如：中等規模半導體營運的廠(chang)區經(jing)理經(jing)過長期謹慎確認既(ji)有流程裝置(zhi)，將裝置(zhi)名稱、位置(zhi)、通(tong)訊協議、實體接口和廠(chang)區地點(dian)輸入(ru)(ru)網(wang)(wang)絡稽核工(gong)作表(biao)。并且(qie)提供內部初步繪圖與計劃，以(yi)(yi)問題癥(zheng)結點(dian)擬定營運目標，廠(chang)區經(jing)理得以(yi)(yi)有多種連網(wang)(wang)解決選(xuan)擇(ze)方案。為達(da)到(dao)投資效益(ROI)優化，廠(chang)區經(jing)理須將停機(ji)時(shi)間、人事成本(ben)、總擁有成本(ben)均納入(ru)(ru)考(kao)慮(lv)。
在(zai)(zai)不影(ying)響企(qi)業正(zheng)常營運(yun)程(cheng)序的前提(ti)下，也可將自(zi)定義的廠區自(zi)動(dong)化部門工具模塊、投資(zi)回收計算(suan)工具提(ti)供給客戶以確保在(zai)(zai)與內部相關人員提(ti)出投資(zi)溝通即進行決定時，不遺漏任何技(ji)術或成本考慮。投資(zi)回收計算(suan)工具可用(yong)于：
?計算停機時間的成本
?預估(gu)導入IIoT投資后每年節省(sheng)的成(cheng)本
?計(ji)算(suan)IIoT投資(zi)的投資(zi)回收期間
智(zhi)能工(gong)(gong)廠最(zui)終目的是以智(zhi)能型的模式提(ti)(ti)升生產(chan)(chan)(chan)效(xiao)能，將(jiang)營利優化(hua)：為了(le)將(jiang)工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)物聯網(wang)效(xiao)益最(zui)大化(hua)，許多(duo)互不相通的技術和(he)產(chan)(chan)(chan)業(ye)(ye)(ye)必須能彼(bi)此相互配合協作(zuo)。Moxa是領先(xian)業(ye)(ye)(ye)界的工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)連(lian)網(wang)與(yu)自動化(hua)公司(si)，為許多(duo)垂直應用市場(chang)提(ti)(ti)供連(lian)網(wang)解決方案。Moxa提(ti)(ti)供3000多(duo)種產(chan)(chan)(chan)品(pin)、并(bing)已經連(lian)接4000多(duo)萬組裝置，而且見證(zheng)將(jiang)過(guo)去獨(du)立運作(zuo)的工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)串行網(wang)絡連(lian)接到工(gong)(gong)業(ye)(ye)(ye)互聯網(wang)之后，掌握數據的明智(zhi)優勢(shi)而對現場(chang)或廠區調降虧(kui)損底線并(bing)提(ti)(ti)高獲利的效(xiao)益。
