物聯網智慧工廠

背景

物聯網的出現已經開啟了制造業的第四次工業革命(Industry 4.0)，從傳統的“自動化”邁入以物聯網為基礎的“智動化”生產模式，從半自動化或單機自動化設備進步到基于網絡的機器對機器(M2M)及機器對人(M2P)的溝通方式。如果再進一步與企業的信息系統及數據分析技術相結合，將可創造出智慧工廠無限的可能。

借助物聯網趨動的智慧流程，智慧工廠將可減輕對人力的依賴、改善生產過程的精準度、正確度及效率、提高產能與質量、降低成本，最終增強企業的市場競爭力。

根據國際數據信息(IDC)發布的市場研究分析，全球制造業潛在的物聯網市場規模到2018年時將達到9,130 億美元，相比2014年的4,720億美元，年平均復合增長率(CAGR)達到17.93%，在整體物聯網市值14.4兆美元中占比最高，達27%。

此外，網絡設備公司思科(Cisco)評估，全球制造業所使用的6400萬臺機器中有92%的設備尚未聯網，遍布在各地的生產線上。理論上，要推動生產智動化最理想的方式是直接把這些機器更換成新的智慧化機器，但對許多考慮成本的制造業者而言，這并非務實之舉，因為他們已經投資大筆資金在既有的生產設備和自動化機器上，這些既有的設備必須使用多年才能收回成本。

因此，比較可行的解決方案是在可接受的預算范圍內，設法讓既有設備能夠聯網，進而整合到智能工廠系統中，以搜集這些設備和機器的運行數據并加以分析。

挑戰

以物聯網為基礎的生產制造環境結合了廠區的操作技術及管理層的信息技術。前者是通過網絡串連各項設備與裝置，實現機器自動化、制造執行系統(MES)、環境監控、能源管理等工作；后者則是指管理層使用的信息應用系統，包括企業資源規劃系統(ERP)、客戶資源管理系統(CRM)以及各種不同的信息分析工具等這些元素一旦連接在一起，會產生各種支持多個子系統的虛實整合系統(CPS)。在此類應用情境中，系統運行必須十分穩定可靠，而各個設備和應用系統之間流動的數據則必須十分安全，并且達到最小的延遲。因而，網絡連接性和有效率的數據流是智慧工廠最基本的要求。然而，欲將廠區既有設備和其他資產連接上網絡，卻面臨著多重挑戰：

■傳統的技術零散且難以整合

自從自動化生產問世以來，已發展出各種各樣的技術及標準，混雜于生產線的操作中，即使同一家公司不同廠區的生產現場，也可能部署了各種不同標準的設備。但工業4.0的概念，是將各項單獨的生產元素通過網絡整合串連，而獲取對于管理或操作決策而言十分重要的信息。不幸的是，現實中有許多阻礙，智能工廠的實施者面對如下的困難場景：

. 廠區里常使用的各種控制器，包括可程序化邏輯控制器(PLC)、以PC架構為基礎的可編程自動控制器(PAC)及嵌入式的微控制器(MCU)等，往往是由多個不同供貨商所供應，使用的技術也不一樣。

. 從過去到現在，許多PLC供應廠商使用不同的通訊標準連接 PLC和現場總線，有些廠商還自行發展自用的標準。即便有某些標準在市場上追隨者眾多，也未能成為唯一的標準。結果就是同一生產現場需同時部署多個通信標準以支持各家廠商的設備。

. 甚至有些生產設備連傳統局域網絡端口或串行端口都沒有。

■OEM廠商的知識產權保護

原始設備制造商通常不愿提供設備操作協議的原始代碼，以保護他們的知識產權益。這使得整合不同設備成為完整系統的工作橫生阻撓。甚至有時提供設備的公司已經解散。

■客戶拒絕對既有系統進行重新配置

生產設備的管理者常常拒絕系統集成商對既有系統及設備的軟件內容進行增減或調整。

■數據的實時性無法滿足客戶要求

雖然許多既有設備采用 PC架構并可產生紀錄文件，但這些紀錄文件并非實時產生且數據經常缺漏。而且不同的設備廠商提供的紀錄文件數據格式不一，使得數據復寫和系統擴縮變得復雜。

策略

工廠建設與投資的金額往往相當巨大且費時，因此將工廠既有設備轉變成基于物聯網的智慧工廠時，必須從多個角度進行考慮，且思考的角度應當具備以下特點：

■解決方案應具通用性和可擴展性

新的智慧工廠必然需架構在通用型的技術架構上，非獨家廠商的秘密配方，以避免過去各家技術無法整合的痛點。更重要的是，這個架構必須是可以彈性擴展的，不用擔心因為產能需求新增機臺后，無法維護。

■成本效益

對于許多正考慮實施智能工廠連網的制造業廠商而言，考慮的第一重點自然是最終效益能否大于付出成本，這對于流程比較復雜的工廠尤其重要，因為這類工廠往往已經購置了許多昂貴的生產組件，他們會希望設備能一用多年，以回收投資成本，最好不需要為了構建智慧工廠而停機，或是停機時間越短越好，如此可提高制造業廠商實施智能化工廠的意愿。

■實時數據的采集

對于支持物聯網的系統而言，取得實時信息決定了未來營運模式能否成功。因此，信息的取得必須實時，以支持重大且立即的決策。

■降低甚至無需更改既有設備的配置

為了減輕對客戶資產造成的沖擊，解決方案的部署最好對既有設備的軟硬件只進行較少或零調整，以避免造成不穩定或損害，并將停機時間降到最低。

■數據傳輸帶寬最大化

隨著越來越多生產組件被連接到物聯網系統，將有更多數據需要在更短時間內完成傳輸，網絡帶寬的有效利用（最好大于85%)就越發重要，以容納更多的連網設備。

■動態發現

對于實施物聯網的工廠而言，產能與營運決策息息相關，設備配置和流程經常必須調整，因此物聯網系統必須能提供動態發現功能，使得生產組件和流程重新設定所需要的時間可以縮到最短，以減少調整時的整體停機時間。

■可擴展且可靠

物聯網系統既然必須連接大量設備，理想的解決方案應該具備最大的可擴展性，以有效管理各種元素組態并支持未來的系統擴展，且所有元素必須以可靠的方式連接，才能支持高時效性與關鍵任務的應用。

■知識產權保護

不同于傳統單機設備，物聯網系統一旦上線，數據便暴露在風險之中，因此智慧工廠解決方案必須整合有效的保護措施。

■彈性化的虛實整合系統(CPS)架構

虛實整合系統(CPS)結合信息與通信技術、數據與實體元素，并串連各個設備的功能，而能實現既有設備的互聯和智動化。這項新的IT技術使得傳統拼接式、孤立的生產設備得以整合、轉型成靈活的、無縫接軌的系統體系(SoS)，從而符合用戶的生產流程需求。從各個子系統搜集得來的數據可自發地、實時地、在任何時間內，在系統內分享，進而實現智能制造。有別于傳統的5層架構，基于發布/訂閱(Pub/Sub)機制的虛實整合系統(CPS)可以自發地、實時地，在任何時間內共享數據，實現智能制造。

解決方案

凌華科技結合經市場證明的技術專業度、以及多年來耕耘自動化、通信、工業計算領域的經驗，所提供的產品，其整合性和功能在出廠前都會經過充分驗證，讓OEM廠商的解決方案得以快速上市，無需經過冗長調整及測試過程。凌華科技智慧工廠解決方案可加速尚未聯網的工廠棕色地帶(Brown Field)變成綠色地帶（Green Field），打破達到工業4.0標準的障礙，讓工廠通過以工業物聯網為基礎的智能制造，優化生產作業、提升效率和利潤。

凌華科技的解決方案產品包括：

網絡與通信

嵌入式計算機

量測與自動化

■MXE-200i系列物聯網網關

MXE-200i是加固、可靠、應用就緒的嵌入式邊緣計算機，可協助已經安裝了傳感器的工廠設備或其他資產連接到其他網絡邊緣設備、以及（或）云端應用系統并分享數據。MXE-200i搭配Intel Atom.E3826處理器，支持 Intel.物聯網網關科技(Intel.IoT Gateway Technology)解決方案，同時預安裝WindRiver.IDP XT 2.0/3.1智能型設備平臺，可實現完整的物聯網功能。MXE-200是目前市面上加固性最高的嵌入式物聯網網關，適合應用于嚴苛的環境，并符合工業等級的防止電磁干擾和電磁耐受性標準(EN61000-6-4,61000-6-2)，可保護客戶的資產并降低整體擁有成本(TCO)。

■Matrix MXE-5500系列無風扇嵌入式計算機

MXE-5500系列為四核的加固型無風扇計算機，搭配第六代Intel. Core. i7-6820EQ/i5-6440EQ/i3-6100E處理器，計算能力較前一代CPU大增30%，圖形指令周期也快30%，且具備硬件媒體編譯碼器，可支持4K超高分辨率顯示，性能優越。

凌華科技是Intel.物聯網解決方案聯盟高級會員（Premier）之一，產品支持Intel.的物聯網解決方案架構，并搭配凌華科技新近并購的網絡軟件公司PrismTech，提供以DDS標準為基礎的硬件和工具，完整供應DDS平臺物聯網的云、網關、霧所有需要的產品。

凌華科技完整的端到端(end-to-end)平臺解決方案，能滿足物聯網部署的所有需求，提供易于部署與使用、成本效益高的產品組合，可在幾乎所有制造業環境中成功建立物聯網所需的網絡連接。

參考案例

Intel.近來與某些頂尖的電子工廠合作，展開一項智慧工廠先導計劃，希望提供一個由網絡連接的智能化生產環境的示范模型，而在不久的將來進行擴大推廣。一家電子工廠被選中作為示范工廠，目標是將該工廠既有的生產線設備連接到網絡，以改善生產質量與效率。這項示范工廠使用的工業物聯網平臺由 Intel.和凌華科技共同提供，凌華科技是Intel.物聯網解決方案聯盟(Intel. IoT Solutions Alliance)的高級會員（Premier）之一。該工業物聯網平臺實現了：

. 從工廠既有生產組件、新增設備及數據分析平臺有效地獲取數據

. 整合既有組件成為全套的智能生產線

. 串連整個生產環境的安全穩定網絡聯機

. 客制化的物聯網平臺，提供邊緣、云、車間、ERP等服務，支持大規模生產工作的優化。

因此，本方案在生產端安裝了許多遠程終端及遠程控制單元(RTU/RCU)，以方便從未連網的既有裝置和設備獲得控制和操作數據，再通過部署了數據分布式服務(DDS)軟件的物聯網網關將數據傳送到后端平臺，而實現生產作業的遠端實時監控。

從生產線采集的原始數據報包括了機器名稱、材料編號、編程名稱、標準參數、生產統計、生產成功/不良計數、機器狀態、指示燈和告警代碼信息、所有統計數據的運行時間以及其他相關信息。

為了確保整體網絡聯機的安全和可靠，本方案選用基于DDS標準的數據分發平臺。以發行/訂閱的通訊架構為基礎的DDS平臺，具有扁平化、簡單、解耦、分布式架構的特色，可以進行點對點的通信及多播功能，無需通過中介設備，也因此可消除因單一節點故障造成的網絡等待時間，對于需要高度時間決定性的應用系統而言，DDS可提供絕佳的可靠性和可擴展性。

系統會紀錄生產在線的產量與零件使用，并就生產過程中的半成品進行質量檢驗分析，就各生產系數、所有會影響質量和安全的因素進行實時報告。用戶并可自行設定警戒系統的警戒參數。

一旦有警報發布，會馬上上傳通知給管理系統以及所有受影響的工作站，讓相關人員或工作站采取適當措施，避免錯誤的操作持續下去而造成生產線癱瘓或停擺。

當系統累積到足夠的歷史數據，即可開發問題預警功能，從而協助產生主動的、先發的維修作業，避免設備在操作中發生故障，防止宕機或將宕機時間縮到最短。

同時，通過積累品管檢測的數據，系統還可產生模式來改善檢測準確度，避免因錯誤的檢測而造成的生產上的損失，進而能改善產品良率。

■關于凌華

凌華科技憑借其產品和平臺，引領邊緣計算產業。無論是互聯網還是企業 IT/OT網絡，凌華科技都可以為您提供網絡邊緣計算的能力。為了滿足數據決策(Data-to-Decisions)的主要目標，凌華科技提供了相應的解決方案，不僅能夠為工業物聯網(IIoT)應用提供互聯互通的解決方案，而且還能簡化其設計、開發和部署。

通過整合卓越的計算能力，堅固耐用的設計，高可用性和工業I/O，凌華科技已經在業界建立起自己的品牌優勢，可提供高可靠、高質量和高性價比的產品和解決方案，幫助全球客戶縮短產品上市時間(TTM)，同時通過客制化和系統集成的優勢，為客戶有效降低總體擁有成本(TCO)，保持低制造成本并延長產品生命周期。

凌華科技是Intel. Internet of Things Solutions聯盟高級會員(PremierMember)，并且積極參與多個標準化組織，包括PCI工業計算機制造商協會(PICMG.)，PXI系統聯盟(PXISA)，VMEBus國際貿易協會(VITA)，嵌入式技術標準化組織(SGeT)，歐洲電信標準協會(ETSI)和開放計算項目(OCP)組織。

凌華科技是一家可提供本地化服務的全球性企業，總部位于中國臺灣，在臺灣和上海設有生產制造中心，研發與整合事業則位于中國臺灣、中國、美國、德國；銷售與服務支持據點遍及世界各地。凌華科技通過了ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485與TL9000認證，并已成為臺灣證券交易所的上市公司(股票代號：6166)。凌華科技的產品遍布5大洲40多個國家，提供遍布全球的分銷網絡和辦事處，全球員工人數超過1600人。

■關于Intel.物聯網解決方案聯盟（Intel. Internet of Things Solution Alliance）

凌華科技為Intel.物聯網解決方案聯盟高級會員（Premier）。Intel.與該聯盟全球400余個會員合力提供具有可擴展的、可互操作的物聯網解決方案，產品涵蓋模塊化組件到現成的系統，可加速智能設備和端到端分析的部署。聯盟會員通過與Intel.及其他成員的密切合作，以最新的技術進行產品創新,可協助系統開發商提供市場最新最快的解決方案。詳情請見：intel.com/iotsolutionsalliance