工業4.0
設備資料有效上雲端 升級智慧工廠平步青雲
隨著工業物聯網(IIoT)時代來臨,將設備資料與雲端連結已經成為現代工廠的一大課題。智慧工廠已成趨勢,將設備連網不僅能提升設備產能、效能,同時又能兼顧工廠環境與資料安全。
MOXA市場開發副理林昌翰指出工廠自動化目前的三大挑戰,由於工廠內有太多不同廠牌、種類的設備,該如何整合各種設備,如何收集資料、監控設備是第一個問題;第二個則是不同資料的截取。例如工具機台的廠商過去是跟飛機引擎商買設備,現在卻是買里程數,所以資產設備是屬於製造商而不是業者,因此要裝很多感測器在設備上進行管理監測,但如果將設備賣到全球,要如何管理監測也是一大挑戰;最後則是越來越多的邊緣設備應該如何管理。
林昌翰進一步說明,過去的工廠設備都是連到中控中心,但是AI大數據時代,所有設備都要收集資訊,因此需要大量感測器。目前常見廠商用可程式控制器(Programming Logical Controller, PLC)收集資料,但這會出現幾個問題,用PLC來截取資料可能會造成過大的負擔,因為資料量太大。在上傳資料到雲端時如果要做邊緣運算甚至上傳到公有雲,都須要耗費很多精力,因此MOXA認為要把資料擷取到雲端,應該讓設備做該做的事。
比方說,串列轉換器要連網時可以使用串列設備連網伺服器,另外若是複數感測器要連網,則可使用支援雲端技術的IIoT控制器。林昌翰表示,未來MOXA的設備都會支援雲端,可以快速布建模組化設計,易於進行故障排除。而這樣做的好處就是可以直接進行邊緣運算,不用把所有資料都上傳雲端,先進行前端處置,讓設備連網更有效率。另外,為解決太多不同通訊協定閘道器(Protocol Gateway),不同設備間彼此溝通的問題,MOXA推出支援各種通訊協定的控制器,先解決操作技術(OT)的問題,才能討論資料上雲端的問題。
林昌翰解釋,至於工廠自動化的第二個挑戰,業者將設備賣到國外要如何監控?早期的做法是用VPN,但使用VPN就需要IT(資訊技術)部門的同意,針對此問題,可以利用雲端技術,在設備銷售時就搭配可遠端連接的閘道器(Remote Connect Gateway),業者可以提供一個USB給廠商,設備發生問題時再進行連接,此時業者就可以從遠端處理經過加密的資料。這樣的做法就可以彈性地使用,並能大量部署。
最後一個問題則是如何有效管理大量部署的邊緣裝置,林昌翰指出可以利用雲端技術的IIoT閘道器,並增加智慧功能,先在前端進行初步資訊處理,再上傳至雲端。MOXA提供了小巧、強固的解決方案能夠大量部署在裝置上,舉例來說,可以設置在工具機台中,偵測震動、溫度、濕度和電壓電流,收集到足夠資訊後,進行產能和預防保養的預測。妥善運用IoT技術,就能進行全面的統整分析,未來更有機會做到用大數據的方式更準確地預測每一個機台能為廠商賺多少錢、何時可以結算ERP做教調的動作等,讓工廠更智慧、更加安全有效率。
MOXA市場開發副理林昌翰表示,AI大數據時代,升級智慧工廠首要任務就是讓設備資訊上雲。
專訪新漢科技董事長林茂昌 開放標準巧扮IT/OT橋樑
因此,如何使工廠內的機台設備都能夠彼此對話,實現機器對機器(Machine to Machine, M2M)的聯網,是首要任務。對此,新漢科技秉持著「開放標準」的布局策略,致力打通資訊技術(IT)與營運技術(OT)間的瓶頸,進而實現能「Working」的工業4.0。
新漢董事長林茂昌表示,工業4.0成為製造業熱門議題已有多年時間,智慧製造被認為是推動製造業爆發成長的主要驅動因素,未來以數據採集、數據處理、聯網為核心的「智慧」基礎將具有舉足輕重的作用。然而,從近幾年開拓市場的情況來看,多數的企業若要轉型智慧製造,往往在首要的「聯網自動化」階段便會碰到瓶頸。
林茂昌說明,舉例來說,一間工廠內有著許多不同品牌的設備,像是西門子(Siemens)、三菱(Mitsubishi)等,而不同的設備有著不同的通訊系統。以往在自動化、工業物聯網(IIoT)或智慧製造等概念尚未出現之前,工廠內的設備不須相互連接,多用人力操作,因此業主不會太在意機台設備各有不同通訊標準的問題。然而,自動化、智慧製造的時代到來後,機器間開始須互相對話,同時還必須與雲端相連以上傳數據,這時候企業主便發現,不同的通訊標準導致M2M之間的聯網複雜度提升。
林茂昌補充,過往不同設備採用不同通訊標準的另一個因素,在於各大工業設備公司之間存在著競爭關係,因此在技術發展上也無可避免地會相互競爭,不管是現在還是將來,這種情況都不會改變。而對一些大型公司來說,抱持開放意味著市場優勢會受到挑戰,可能會因此而流失客戶,所以大多使用封閉式的架構來鞏固自身的市場地位。
然而,對於預算、BOM Cost成本十分敏感的中小型企業(或是新創公司)而言,不見得能承受大品牌公司整套解決方案(包含設備、通訊技術、控制系統等)的價格;也因此,為了使不同品牌設備之間能夠互通互聯,開放標準的需求愈來愈明確。
林茂昌認為,一個蓬勃的產業生態必須具備工業標準+開放架構。工業4.0走向成熟的標誌,就是建立一個基於開放標準的超大產業。就像PC與手機一樣,有了開放標準,千家萬家企業就能夠分工合作,讓市場擴大十倍、百倍。理想中的工業通訊,是使用同樣的通訊標準。在工業4.0框架之下,各個獨立的系統和設備是互相聯網、互聯互通的,通訊處於非常重要、非常核心的位置。
綜上所述,開放式標準的需求和重要性與日俱增,透過開放式標準,得以打通橫向的機聯網,以及縱向的物聯雲(機台與雲端的聯結),進而加速實現IIoT、智慧製造等目標,進而達到工業4.0。也因此,新漢將工業4.0的未來,架設在EtherCAT與OPC-UA等開放標準之上。基於EtherCAT,新漢開發出了EtherCAT Master,並且依靠這個技術,生產出名為NET 300的控制器,可兼容控制基於EtherCAT標準的不同廠家的設備,包括機器人、生產線、工具機等,並將大數據匯整後上傳雲端。當然,該產品除了能支持開放標準,也能連接現有非標準的主要通訊協議。
林茂昌表示,工業4.0有著「任督二脈」。第一點,工業3.0的自動化必須先打通,這包括製程自動化、機台自動化,以及機器人。這些在過去都是封閉架構,多數有歷史的工廠都是「機械的聯合國」,彼此不相容也不相通。第二點是將原來都不相連的生產線、機器人、與工具機聯雲(E2E)聯網,再連上必要的感知器與各種裝置,這就是所謂的工業物聯網。為此,新漢秉持著開放標準的EtherCAT技術,使生產線、機器人、與各種工具機完全相容相通,並與各個不開放、非標準的廠商共存共榮。
林茂昌進一步強調,從工業3.0到4.0,意味著從自動化邁進了訊息化的時代,當中的差別在於,工業4.0增添了大量的「資通訊(ICT)元素」。這將會是新漢未來持續布局的方向,因工業4.0指的便是物聯網(IoT)市場,而物聯網從上到下,分為IT技術、通訊技術(CT)和OT技術三層。其中,商業潛力最大的便是IT、OT層;透過串聯OT層不同廠商的設備,從而掌握大數據的向上供給管道,這是新漢將來積極發展的目標。
新漢董事長林茂昌認為,開放標準是加快工業4.0普及的關鍵,新漢也致力透過開放標準打通IT與OT之間的瓶頸。
IBM大談認知製造框架 啟動「由內而外」數位轉型
為協助台灣製造業加速實現數位轉型,邁向工業4.0,IBM提出「認知製造框架」觀點,以企業內資料為基礎「由內而外」,並採用IBM Garage、Design Thinking與敏捷開發等方法,結合人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、自動化與區塊鏈等技術,進而實現「智慧產品」、「智慧營運」與「智慧工廠」三大層級目標。
台灣IBM全球企業諮詢服務事業群副總經理陳世祥表示,過去幾年企業所談論的數位轉型,多以因應客戶、市場需求為主的「隨機式數位轉型」;而這種轉型,多稱為「由外而內」,也就是為了滿足不斷變化的客戶期望而產生的數位再造需求。
陳世祥指出,然而,隨著AI、IoT、自動化、5G、區塊鏈等新興技術興起,過去風行的「由外而內的數位轉型也開始出現變化,趨向於利用這些新興技術,「由內而外」發揮企業內原有資料的潛力,創造新成果、重塑商業架構,這也是如今「認知型企業」的概念。而製造業擁有的大量生產數據以及複雜的製程經驗,是邁向「認知型企業」最合適的實踐產業;且在全球工業4.0如火如荼展開之時,台灣製造業的轉型更是刻不容緩。
據悉,IBM Garage為提供一站式,多元技術諮詢的雲端轉型服務,其包含AI、區塊鏈、數據分析、雲端技術等科技,致力協助企業做到兼顧成本控制與高效的企業系統轉型。
陳世祥進一步說明,以往IBM Garage、Design Thinking等方式多應用於商務(Commercial)領域中,而隨著全球工業4.0如火如荼的展開,為能加速數位轉型、實踐智慧化,製造業也應該導入上述方案,利用這樣的解決方案找到最有價值的方法,來啟動數位轉型。舉例而言,過往製造業要引進AI,可能需要花費9個月、10個月的時間;但透過Garage的方式,能有效的進行作業流程、系統的調整,將引進時間縮短至2~3個月。
IBM透露,認知製造框架觀點目前已獲多家企業採用。以智慧營運為例,聯想集團(Lenovo)採用認知供應鏈方案,在遇到供應鏈中斷時,能縮短響應時間至幾分鐘,並快速分析出受影響的訂單,減少營運成本並增加收益;而在智慧工廠方面,京瓷集團(KYOCERA)採用智慧工廠平台方案,提高了品質良率,預計2020年前,生產力將翻倍、整體銷售提升40%以上。
專訪意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese 智慧功率開關提升智慧工廠安全
意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese表示,工業4.0的特色在於使用網路實體系統(Cyber-Physical System, CPS)、通訊技術、物聯網技術以及分散式決策(Decentralized Decisions)等,使工廠運作更有效率。然而,在使工廠自動化或更智慧化的過程中,打造一個更安全的工作環境,確保設備運作穩定,避免出現工安意外而使工廠財產、人員受到損害,也是工業4.0其中一個重要環節。
Marchese指出,「安全性」 一直都是個很熱門的話題,像是日常所使用的智慧家電,為生活帶來了便利性,而在工廠領域,則可以改善生產效率。上述的一切,其實都有關使用者的安全,因此,不僅生產製造與電器產品的安全規範持續推陳出新,ST也會持續透過旗下產品提供更高的安全防護。
而智慧功率開關IPS4260L適用於伺服驅動器、馬達控制、工業PC週邊、可程式設計邏輯控制器(PLC)和通用下橋開關(驅動與正電源相連的負載),並可為智慧工業/工業4.0智慧製造應用帶來豐富的診斷功能,包括開路負載檢測和限流保護。
據悉,開路負載檢測在輸出處於關斷狀態時運行,以防止因線路斷開等故障導致的危險。當電流過大,非耗散式截止限流功能可在使用者設定的時間後關閉輸出級。限流時長可用一個外部電阻器設定,限流時間結束後,輸出級自動重啟。其他診斷功能還包括兩個用於指示負載開路和超載/熱關斷的共開路汲極針腳及用於指示單個通道超載/熱關斷的四個輸入/輸出汲極針腳。
意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese(圖左)表示,打造更安全的工作環境是工業4.0的重要環節。
專訪台灣愛立信總經理何可申 愛立信加速工業數位轉型
台灣愛立信總經理何可申表示,根據愛立信的研究指出,一直到2026年,預估工業數位轉型商機將不斷攀升,市場規模將高達6,000億美金,推動電信業者、網路通訊設備業者紛紛投入此一領域發展。
何可申進一步說明,要實現工業4.0,首先不可或缺的便是在工廠、設備上建置許多感測器,而這些感測器皆須有連網功能;然而若是依賴有線連網,將會耗費許多布線成本和時間,因此,無線連網勢在必行。而4G、5G行動聯網相較於Wi Fi,較不易有訊號干擾問題,因而較為穩定;這也是工業成為5G主要的商用領域之一的原因,驅使電信業、和網路通訊設備業者相繼投入。
據悉,此套連網解決方案是專為工廠和倉儲等工業環境所開發,可實現安全、可靠的行動覆蓋範圍,並具備高密度配置與可預測遲延時間的特點。此外,此方案為資訊技術(IT)和營運技術(OT)專業人員提供易於使用和管理的網路管理經驗,使製造業和倉儲業的員工能夠快速地採用與部署。透過工業級無線連網技術,該解決方案可實現創新的工業4.0使用案例,例如:配備大量感測器的數位分身(Digital Twin)檢測;提供工作人員使用的具移動性人機介面(HMI)指令;無人搬運車(AGV)的防撞和遠端控制:以及用於自動化操作的協作機器人等。
目前瑞典的運輸解決方案供應商永德福汽車(Scania)已經在其位於瑞典Södertälje的智慧生產實驗室中採用愛立信工業連網解決方案。Scania Group工業IT資深經理Roger Hartonen指出,如今,高品質、快速與安全的工業連網環境已是絕對必要;而工業連網解決方案可為我們提供可靠的無線連網環境,實現工廠內所需的靈活性,得以不斷創新來推動永續運輸系統。
台灣愛立信總經理何可申表示,工業數位轉型勢在必行,愛立信推出工業級無線連網技術,實現創新的工業4.0使用案例。
宸曜科技攜手軟硬體專家發表導入機器學習之智慧製造
宸曜科技(Neousys Technology)近日舉辦的「邁向工業4.0─導入機器學習的智慧製造」研討會完美落幕。會中宸曜科技與全球機械手臂市佔霸主精工愛普生(Epson)、宜谷京科技、弘翔精密與肯定資訊科技等機器視覺產業專家,整合機器學習(ML)的視覺系統、機器手臂到視覺軟體等主題,分享協助企業邁向工業4.0之道,以及解決外觀品質檢測等視覺應用上的幾項痛點。
宸曜科技產品企劃一部產品經理鄧博元表示,宸曜科技為整合強固寬溫與設計美學的嵌入式電腦專家,專注於設計製造兼具強固及精巧小尺寸的無風扇工業電腦平台,核心技術涵蓋嵌入式運算以及產業數據的採集分析。產品致力於創新、並整合全方位應用導向功能,是自動化智能工廠、機器視覺、交通運輸、GPU智能運算、機器學習、自動駕駛、監控和視覺分析等工業電腦的指標解決方案。
鄧博元於會中提出即將上市的工業級 GPU運算人工智能平台Nuvo-8208GC,與獲得中國百度Apollo 2.0自駕技術指定運算系統Nuvo-6108GC,以及今年四月剛獲得美國 2019年 Vision Systems Design視覺平台設計金質大賞的Nuvo-7164GC。而這些平台適用於基於機器學習(Machine Learning, ML)的機器視覺應用,其最為擅長的工作乃是「圖樣辨識」,只要影像處理、判斷的速度夠快,加以累積訓練資料增加,有助於提升系統辨識的準確度。
隨著產線的高精密組裝、加工程序日趨複雜,自動化需求更是與日俱增。導入整合性的自動化設備,更是未來自動化產線的趨勢與企業成長的重要利基。Epson器械手臂自動化營業部經理陳子軒提到打造高產能與良率的智慧工廠的方式,他以Epson SCARA機械手臂連續八年全球市佔第一為例,說明其擁有「高速度、高精度、低震動」的「兩高一低」優勢,手臂可搭配視覺辨識系統及力覺感測器,達到快速辨識物件、偵測其位置與方向並精準掌控操作力道,如何在最短時間內提升產線效率與精度。
宜谷京科技產品部研發總監林晏全提出傳統品檢系統(AOI)普遍存在的問題,包含產品製造總會存在可容許的不穩定性,但傳統的AOI常常因此過檢;過於細微的瑕疵,需要開發者有足夠的演算法能力以及經驗。開發時間長,需耗費相當多的時間執行開發與修改,時間成本高;普遍操作介面複雜,太多專業名詞,需要聘請專門的工程師來維護,以及開發者能力不一,檢出效果不如預期引發爭議等。宜谷京科技研發總監林晏全會中提出獨家的離析學習演算法FIA intuit,解決上述機器視覺應用上的問題與瓶頸,在實務上達到精準、簡易、彈性、穩定、量化的效果。
打通工業4.0任督二脈 開放式標準讓IT/OT互通有無
工業4.0、智慧製造等概念,已經成為許多製造業所追求的目標。然而,當工廠啟動轉型邁向智慧製造或工業4.0時,意味著須具備連網能力,讓資料得以彼此交換學習與統整分析,才會產生出智慧;因此,如何使工廠內的機台設備都能彼此對話,實現機器對機器(Machine to Machine, M2M)的聯網,是首要任務。對此,新漢科技秉持著「開放標準」的布局策略,致力打通資訊技術(IT)與運營技術(OT)間的瓶頸,實現能「Working」的工業4.0。
新漢董事長林茂昌表示,工業4.0成為製造業熱門議題已有多年時間,智慧製造被認為是推動製造業爆發成長的主要驅動因素,未來以數據採集、數據處理、聯網為核心的「智慧」基礎將具有舉足輕重的作用。然而,從近幾年開拓市場的情況來看,多數的企業若要轉型智慧製造,往往在首要的「聯網自動化」階段便會碰到瓶頸。
林茂昌進一步說明,舉例來說,一間工廠內有著許多不同品牌的設備,像是西門子(Siemens)、三菱(Mitsubishi)等,而不同的設備有著不同的通訊系統。以往在自動化、工業物聯網(IIoT)或智慧製造等概念尚未出現之前,工廠內的設備不須相互連接,多用人力操作,因此業主不會太在意機台設備各有不同通訊標準的問題。然而,自動化、智慧製造的時代到來後,機器間開始需互相對話,同時還必須與雲端相連以上傳數據,這時候企業主便發現,不同的通訊標準導致M2M之間的連網複雜度提升。
林茂昌補充,過往不同設備採用不同通訊標準的另一個因素,在於各大工業設備公司之間存在著競爭關係,因此在技術發展上也無可避免的會相互競爭,不管是現在還是將來,這種情況都不會改變。而對一些大型公司來說,抱持開放意味著市場優勢會受到挑戰,可能會因此而流失客戶,所以多使用封閉式的架構來鞏固自身的市場地位。
然而,對於預算、BOM Cost成本十分敏感的中小型企業(或是新創公司)而言,不見得能承受大品牌公司整套解決方案(包含設備、通訊技術、控制系統等)的價格;也因此,為了使不同品牌設備之間能夠互通互聯,開放標準的需求愈來愈明顯。
林茂昌認為,一個蓬勃的產業生態必須具備工業標準+開放架構。工業4.0走向成熟的標誌就是,建立一個基於開放標準的超大產業。就像PC與手機一樣,有了開放標準,千家萬家企業就能夠分工合作,讓市場擴大十倍、百倍。理想中的工業通訊,或者說工業通訊的目標,是使用同樣的通訊標準。在工業4.0框架之下,各個獨立的系統和設備是互相聯網、互聯互通的,通訊處於非常重要、非常核心的位置。
綜上所述,開放式標準的需求和重要性與日俱增,透過開放式標準,得以打通橫向的機聯網,以及縱向的物聯雲(機台與雲端的聯結),進而加速實現IIoT、智慧製造等目標,進而達到工業4.0。也因此,新漢將工業4.0未來,架設在EtherCAT與OPC-UA等開放標準上。基於EtherCAT,新漢開發出EtherCAT Master,並依靠這個技術,生產出名為NET 300的控制器,可兼容控制基於EtherCAT標準的不同廠家的設備,包括機器人、生產線、工具機等,並將大數據匯整後上傳雲端。當然,該產品除了能支持開放標準,也能連接現有非標準的主要通訊協議。
整合數位技術 工業自動化廠創新營運模式
數位時代來臨 帶動五大營運創新模式
若將目前數位技術與需求驅動而生的新營運模式加以彙總歸類,分為產品即服務、論次計酬、論質計酬、證券化及共生參與五個方向。
產品即服務是指例如購買工業機器人時,並非只購入硬體本身,還包含機器人的全產品生命週期健康狀態即時監控服務、遠端升級更新服務、維修保養及最佳化服務等。如此,用戶買的不是工業機器人這個產品,而是可靠的彈性自動化生產服務。
論次計酬則是用戶依據使用次數來付費,而毋須先付出高額成本購入設備資產。對供應商而言,能吸引客戶用得多,自然收入越多。同時因為首用成本不高,更能促使用戶嘗試新產品與新服務,加速新產品進入市場,刺激產業發展。
論質計酬意指依據實際的績效指標來支付產品服務費,例如提高可靠運轉時數、製成品良率、能耗節省率等,將目標具體化,再論質計酬。對供應商來說,挑戰增加,但也增加對市場需求的真實了解,發掘真正能帶來價值的解決方案。
證券化則是將大型資產專案拆解為較小的投資標的,讓零售用戶也能參與批發市場交易,這樣的改變稱之為證券化。反之,將小型資產專案整合入大型投資標的,讓批發用戶能瞄準較小的市場區塊,則是稱為反向證券化。金融市場的共同基金即是反證券化的代表性例子。
共生參與意指供應商的解決方案對間接的第三方造成影響,而吸引第三方也加入數據共享,挖掘商機的行列。例如保險公司提供健康手環、減重目標達成獎金等,激勵用戶越活越健康,一方面大數據分析可提供總體健康分析,更重要的是降低醫療機會,降低理賠機率。
數位轉型推升整合方案需求
因應數位轉型需求,工業自動化技術業者也紛紛開始整合技術資源,推出新一代的整合性解決方案,以藉此搭上數位轉型的風潮,好開創新的營運模式與高效。例如,由ABB所推出「ABB Ability」,其累積超過210項數位解決方案,包含設備裝置、軟體、服務與系統平台,以協助用戶提升數位能力。ABB Ability解決方案,由下至上,可分為四個層級:
.Know More
其核心即是「數據收集」,讓設備數據可被採集、可互聯、可儲存、可量測、可送出通知訊息,讓設備主得以知道更多資訊,即Know More。例如線上型連續式氣體分析儀AO2040,其動態QR Code功能,讓用戶透過手機即可獲取關鍵操作參數及錯誤碼,縮短檢修時間。
.Do More
獲取數據之外,運用數據得到更多洞察,執行虛擬訓練、設備檢驗、狀態監控、任務監控、遠端支援、備援管理等。例如ABB Ability低壓馬達智慧感測器、ABB Ability工業機器人互聯服務。
.Do Better
顧名思義即是「最佳化」,加上模擬技術、預測、自動化等應用。具體來說,包含虛擬試陣、營運績效及能源使用最佳化對策、資訊安全系統、預防性保養、資產健康管理等。例如ABB Ability電氣設備預防性保養服務、斷路器預防診斷服務等。
.Together
意即「協同運作」,也是工業4.0下的核心價值之一。透過生態系內的數據共享,將數據洞察帶來的創新思維化作轉型基礎。可想而知,這類的數位方案目前占少數。
以「Do More」為例,ABB Ability低壓馬達智慧感測器內含多組感測器,可採集振動參數、運轉參數以及馬達健康狀態參數。採集數據在智慧感測器內初步運算,再送上ABB雲端伺服器,與ABB馬達資料庫內的模型進行比對與深度分析,藉以判別馬達健康狀態,並將結果即時呈現於智慧型裝置App與專屬網頁平台,協助現場人員採取因應行動並評估節能對策。
「Do Better」方面,則有應用於石化天然氣產業的虛擬多相流量計。以油井地質物理量及現場既有儀表數據,如溫度、壓力、流量等為數據分析基礎,在毋須額外加裝各式分離器、感測器及客製化工業儀表等高昂設備的情況下,透過現場運轉數據建模,虛擬多相流量計可提供更快捷、有效且經濟的數位多相流量量測。此外,透過即時數據回饋與機器學習,可持續精進並最佳化模型。
搶占數位轉型商機 產業大打團體戰
數位轉型之路沒有一招必勝的絕妙秘笈或一體適用的標準作業程序;多數時候,是一段供需雙方共同腦力激盪的旅程。
而這趟旅程的起點,來自工業現場數據的收集、彙整、分析、進而得到洞察。同時,供需雙方透過一次又一次的反思與自問,層層挖掘並逐步定義數位轉型或升級的根本目標,設立短中長期里程碑,一步步迎向數位時代。
(本文作者為ABB台灣行銷傳播經理)
智慧功率開關助力 智慧工廠安全/可靠性更進步
工業4.0持續蓬勃發展,為加速實現智慧工廠,並提升工業自動化設備的效率和可靠性,打造安全工作環境,意法半導體(ST)推出新款智慧功率開關(Intelligent Power Switch)「IPS4260L」,可在一個節省空間的散熱加強型封裝內整合四個260mΩTYP RDS(ON)的功率開關和保護功能,在TAMB = 85°C環境溫度下最大輸出電流2.4A(每通道0.6A或單通道2.4A),並能透過外部電阻器設定限流閾值,還可並聯通道。
意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese表示,工業4.0的特色在於使用網路實體系統(Cyber-Physical System, CPS)、通訊技術、物聯網技術以及分散式決策(Decentralized Decisions)等,使工廠運作更有效率。然而,在使工廠自動化或更智慧化的過程中,打造一個更安全的工作環境,確保設備運作穩定,避免出現工安意外而使工廠財產、人員受到損害,也是工業4.0其中一個重要環節。
Marchese指出,「安全性」 一直都是個很熱門的話題,像是日常所使用的智慧家電,包括空氣清淨機、掃地機器人等設備,為生活帶來了便利性,而在工廠領域,則可以改善生產效率。上述的一切,其實都有關使用者的安全,因此,不僅生產製造與電器產品的安全規範持續推陳出新,ST也會持續透過旗下產品提供更高的安全防護。
而智慧功率開關IPS4260L適用於伺服驅動器、馬達控制、工業PC週邊、可程式設計邏輯控制器(PLC)和通用下橋開關(驅動與正電源相連的負載)。此外,IPS4260L可為智慧工業/工業4.0智慧製造應用帶來豐富的診斷功能,包括開路負載檢測和限流保護。
據悉,開路負載檢測在輸出處於關斷狀態時運行,以防止因為線路斷開等故障導致的危險。當電流過大時,非耗散式截止限流功能可在使用者設定的時間後關閉輸出級。限流時長可以用一個外部電阻器來設定,限流時間結束後,輸出級自動重啟。至於其他診斷功能包括兩個用於指示負載開路和超載/熱關斷的共開路汲極針腳,以及用於指示單個通道超載/熱關斷的四個輸入/輸出汲極針腳。
高彈性/相容性加持 ISA100.11a串聯智慧工廠
工業4.0應用於程序自動化產業的基本作法與電子業一致,但由於生產過程以及應用環境的不同,會衍生出不同應用架構以及不同的工業網路需求。
不同於電子產業分站式生產過程,重工業的生產特色是有上中下游的帶狀生產運輸過程,廠區通常占地幅員廣大且常常處在高溫高濕、高塵粒、高汙染、高爆炸性的作業空間,環境相當嚴苛。
智慧製造的基礎建立在大數據之上,重工業的資料擷取點通常來自於不同種類與形式構建的感測器網路(Sensor Network),例如流量計與物位計、壓力計等。流量又可分為總流量與瞬時流量,物位計又因為量測對象為液態或固態而有不同的量測方式等不一而足。
由於儲存設施通常為大型桶槽,高度可達20~30公尺,因此,重工業的廠區網路建置若採用有線網路布建不僅成本高、維護不易,在彈性調整上更是不便。另一方面,也由於廠區幅員廣大加上地形、地物的高低落差等影響,一般常用的Zigbee與藍牙等技術都會面臨穩定性與通訊距離限制的問題。
在此之下,目前適用的無線網路協議且為標竿產業龍頭廠商所認可的國際標準,只有WirelessHART和ISA100.11a兩種。相較於WirelessHART無線技術,ISA100.11a更具備彈性部署以及相容性高的特質,是一個值得關注的無線技術。
ISA100.11a無線技術特色
由於ISA100.11a與WirelessHART都是建築在IEEE802.15.4(2.4GHz)的物理層技術架構且應用領域相近,經常引人誤認為相同的技術背景與架構。事實上,ISA100.11a技術在支持IPv6以及具備分散式拓撲結構以及高相容性方面,都比WirelessHART技術更具優勢。
以下為兩者的網路疊構圖示(圖1),其中AL、TL、NL、DL、PL分別對應到OSI所定義網路7層結構的應用層(Application Layer)、傳輸層(Transport Layer)、網路層(Network Layer)、資料連結層(Data Link Layer)與實體層(Physical Layer)。
圖1 ISA100.11a(左)與WirelessHART(右)網路疊構差異圖示
由於IEEE 802.15.4的Frame框架長度不足以直接傳輸IPv6封包,因此,ISA100.11a在網路層與資料連結層當中新增對於封包(Packet)的封裝(Header Encapsulation)、壓縮(Compression)與分封(Fragmentation)對應機制,此一設計使得ISA100.11a帶來WirelessHART技術所無法達到的應用:分散式骨幹路由器(Backbone Router)。在此架構之下,一個閘道器(Gateway)可透過多個獨立布建的分散式骨幹路由器提供現場感知設備的路由與ISA100無線覆蓋,使得網路建置擴充更具彈性。
圖2為ISA100制訂的聯網架構拓撲之一,左側的現場感知設備(Field Device)皆以ISA100.11a的Wireless Mesh技術相連再透過設備之間的最短路徑連接到骨幹路由器。閘道器設備透過IP網路將感知設備的擷取資料連接到工廠網路(Plant Network)的後台控制系統(例如DCS等設備),這也是一般ISA100主導廠商(如Honeywell、Yokogawa)的架構方式。
圖2 ISA100.11a獨特的分散式Backbone Router網路拓撲架構
滿足工業4.0 ISA100.11a網路架構需具四大特點
傳統ISA100.11a無線網路架構為封閉式的回路,主導廠商大多採用乙太網路進行現場布建。這樣的架構在工業4.0的應用建置會面臨缺乏連雲方案大數據採集困難以及有線布建成本與維護成本的壓力。沒有網路管理機制,在網路布建數量大增之下,整體維運管理成本與困難度也大幅提高。因此,在轉化傳統ISA100.11a無線網路並加值成為工業4.0應用架構方面,有以下建議可供讀者參考:
穩定的Wi-Fi無線骨幹傳輸
Mesh的無線架構無論在ISA100.11a以及WirelessHART兩大陣營,都是基本必備的無線傳輸主流技術。Mesh技術之所以受到這兩大無線技術支持的原因在於程序自動化的廠區布建範圍廣大,各設備之間需要網路通訊時必須考慮可用的頻寬以及傳輸距離、分散式架構與穩定的傳輸品質。要符合這麼多的特質,唯有Mesh無線技術可以符合需求。
同樣的道理,在閘道器與骨幹路由器之間,也會需要Mesh技術來強化Wi-Fi無線骨幹的傳輸品質。相較於Mesh與傳統AP/Client傳輸模式,Mesh技術帶來以下特色:
.多重無線路徑
Mesh技術可同時維持多條無線傳輸路徑,並自動選擇傳輸品質最佳的路徑。相對地,AP/Client模式由於多個Client設備共同分享AP的頻寬以致於傳輸當中的設備受到干擾會造成整體AP傳輸性能的下降。採用Mesh模式可大幅降低外界干擾影響之外還可以縮短網路傳輸的回應時間。從圖3可看出Mesh無線技術在掉包率以及回應時間的特性都優於一般的AP/Client模式。
圖3 Wi-Fi Mesh與AP/Client模式的特性比較
.自組網與自癒合
Wi-Fi Mesh的組網過程非常簡易,設備上電之後會開始與維運當中的Mesh設備連線,無須繁複的網路設置便可加入網路。當原先連接設備斷訊時,Mesh設備會立刻選擇另一條傳輸品質最佳的無線路徑,使得通訊中斷得以立即恢復。
.彈性部署
藉由自組網與自癒合功能,場域布建時可透過Wi-Fi高帶寬骨幹的聯通,設備僅須提供電源即可彈性增加部署新設備,進行組網。對於網路的建制與維運而言,毋須額外新增光纖布建也同時降低成本。
為強化閘道器的骨幹傳輸穩定,Wi-Fi Mesh除了做為無線骨幹傳輸之外,亦可搭配乙太網路介面形成有線/無線雙備援的傳輸機制,以下範例為新漢公司的NIO200 ISA/WirelessHART網關連線架構(圖4)。
圖4 有線/無線雙備援的傳輸機制
實現程序自動化 七大網路管理重點不可少
程序自動化的廠區通常占地幅員廣大,包含眾多有線、無線網路以及感知設備,對於沒有網路管理經驗的工廠使用者而言,如果沒有一套容易操作的工業4.0網路設備管理系統的話,對於長期維運的負擔會相當沉重。理想的管理系統須具備以下功能。
.設備自動偵測能力
標準的網路管理協議(如SNMP、CAPWAP)常用於AP、Switch等網路設備,但感知器的通訊則常用Modbus協議。對於工業4.0的設備健康管理而言,管理系統必須兼具SNMP,CAPWAP以及Modbus協議才能便於網路設備與感測設備的自動偵測功能。
.視覺化的拓撲呈現
當系統透過CAPWAP機制做完Discovery與IP配置完成後,管理軟體得以透過SNMP以LLDP、MAC Table、ARP Table等方式來建立設備間的連線,依據連線的種類以及Port Number等資訊來製作視覺化的網路拓撲圖。
視覺化拓撲功能可以讓管理者在直接看到設備之間的連線情形並進行相對的管理措施。例如,設備無法連線時,設備端的圖像以及相連的無線連線路徑也會從綠色的樣式變為紅色的告警顏色。視覺化拓撲呈現方式,可提高網路與設備的管理效率。
.支援多重圖資與廠區平面圖的輸入
管理系統須支援圖資介面可讓使用者輸入多層次的廠區平面圖,將設備的架設位置以及樓層資訊收容在不同群組上。再利用拓撲圖的階層式管理介面,讓管理者可以一目了然,快速的進行設備管理。
.非法設備檢測支援
為加強資安防護,管理系統須可偵測和設定未經授權的設備為非法設備,並給予標記與警報提醒使用者。同時,也可將合法的設備納入「白名單」中,讓系統偵測後辨別為合法設備。經由掃描之後,非法設備不但會被標示在設備列表當中,也可在拓撲圖以及在事件日誌當中上出現驚嘆號的提示,以提醒網路與設備的管理者。
.日誌管理
管理系統的「日誌頁面」需可將設備發生之異常事件或設備變更等設定記錄於列表中,提供管理者查閱。事件紀錄(Event Log)方面,管理者可以按照設定的搜尋條件,進行設備警示紀錄的查詢。搜尋條件包含「起迄日期」、「IP位址」、「嚴重程度」、「設備名稱」或先前已「清除」的紀錄。
.韌體更新功能
管理系統須提供設備韌體更新功能,並預先設定備份的schedule,或是立即以手動執行備份作業。因此,對於製程使用中的機具設備可以預先設定備份時程不用擔心備份工作對生產製程的影響,對於維運工作可大幅提升效率。
.Mobile APP
管理系統除一般的Web...