導(dǎo)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不必瞎子摸象 智能工廠連網(wǎng)有一套

作者：呂百舟 來源：2cm

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）仰賴裝置、傳感器和營運(yùn)控制軟件(MES)之間全面性的連接。導(dǎo)入該架構(gòu)的三項(xiàng)必要考慮點(diǎn)、四項(xiàng)建設(shè)流程，將設(shè)備運(yùn)算連網(wǎng)和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換概念納入，以成就高效率的工廠營運(yùn)、裝置連網(wǎng)和工廠智能化為目標(biāo)。

工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，對很多生產(chǎn)制造的企業(yè)，是既期待又怕受傷害的概念及決策。隨著工廠邁向智慧自動化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對于工廠的生產(chǎn)質(zhì)量、資產(chǎn)效益、網(wǎng)絡(luò)安全性和成本有極大的競爭優(yōu)勢提升。

工業(yè)4.0及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念皆是將企業(yè)運(yùn)作系統(tǒng)、裝置和用戶一并聯(lián)機(jī)至互聯(lián)網(wǎng)，以提升運(yùn)作效率及營運(yùn)效益，導(dǎo)入創(chuàng)新以成就競爭優(yōu)勢。

鏈接/數(shù)據(jù)處理/網(wǎng)絡(luò)安全 三大考慮不可少

過去20年至今，IT結(jié)合自動化處理在能源、大眾運(yùn)輸、城市基礎(chǔ)設(shè)施和制造方面的問題，而工廠早已開始探索工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。接下來將一一列述布建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三項(xiàng)必要考慮點(diǎn)、四項(xiàng)建設(shè)流程，將設(shè)備運(yùn)算連網(wǎng)和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換概念納入，以成就高效率的工廠營運(yùn)、裝置連網(wǎng)和工廠智能化為目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)連結(jié)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仰賴裝置、傳感器和營運(yùn)控制軟件(Manufacturing Execution Software, MES)全面性的連接。對于Fieldbus、工廠層級網(wǎng)絡(luò)、控制層和各類工業(yè)營運(yùn)應(yīng)用，在過去是明確界定廠務(wù)管理及IT系統(tǒng)各司其職，卻不適合整體營運(yùn)優(yōu)化及擴(kuò)張。例如：如果有好幾臺計(jì)算機(jī)數(shù)值控制工具機(jī)(CNC)須連接至公司全球中控中心網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)致功能受限、復(fù)雜度增加且成本提高。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建構(gòu)時(shí)，為達(dá)到連結(jié)流暢度，必須了解裝置、通訊協(xié)議、實(shí)體接口，以及工廠和相關(guān)工作站間的連結(jié)方式。

將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為有效信息

現(xiàn)代的工業(yè)制造設(shè)備會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。設(shè)備連結(jié)增加，位移傳感器也彼此自行連網(wǎng)，突破PLC障礙。專研企業(yè)大數(shù)據(jù)的公司試圖利用數(shù)據(jù)群集分析，將B2C范疇的數(shù)據(jù)分析方式運(yùn)用于工業(yè)自動化，但是由于連網(wǎng)不夠完整、設(shè)施復(fù)雜及數(shù)據(jù)龐雜性，至今成效有限。透過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)帶寬增加，配合可調(diào)控智能計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，工廠才能實(shí)時(shí)匯整所需數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)張。

隨著營運(yùn)數(shù)據(jù)的累積，硬件也須有對應(yīng)的擴(kuò)充性，讓管理者能很快透過實(shí)時(shí)分析來補(bǔ)足工廠與局域網(wǎng)絡(luò)間的信息斷層，達(dá)到顯著的效益。根據(jù)麥肯錫國際(McKinsey)的研究指出，透過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集并優(yōu)化，產(chǎn)量可以提升3.7%(相當(dāng)于每年約2,000萬美元)。

由于工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，數(shù)據(jù)傳輸和儲存并不容易。但透過嵌入式計(jì)算機(jī)和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，可降低成本，并能夠提供串流信息的有效處理及儲存，不同于以往，當(dāng)異常發(fā)生時(shí)，中控室便會立即收到訊息。這些網(wǎng)絡(luò)信息能夠提供預(yù)防性處理參考，延長產(chǎn)品壽命，并發(fā)現(xiàn)潛在問題，提升投資效益，可協(xié)助營運(yùn)轉(zhuǎn)虧為盈，提高營業(yè)利益。

網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是讓分析在局域網(wǎng)絡(luò)層級進(jìn)行，目的是讓機(jī)器及傳感器可在局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分享數(shù)據(jù)并分析，先行達(dá)到優(yōu)化。局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)的智能化可降低中心運(yùn)算及帶寬需求，并可降低對整體網(wǎng)絡(luò)安全造成的風(fēng)險(xiǎn)。換句話說，可將以往大規(guī)模的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)化成區(qū)域性子網(wǎng)系統(tǒng)。當(dāng)在建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)考慮其備援機(jī)制、防火墻策略性設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)故障或遭入侵的可能性。在設(shè)計(jì)智能型工廠解決方案時(shí)，應(yīng)注意和考慮網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)的效能、可靠性及安全防護(hù)。

評估/擬定/盤點(diǎn)/導(dǎo)入 四大流程面面俱到

規(guī)劃建置前，首要為明確設(shè)定目標(biāo)，擬定目標(biāo)時(shí)，容易傾向遵循過往方式而忽略異于傳統(tǒng)的解決方案。將營運(yùn)目標(biāo)傳達(dá)給供貨商或系統(tǒng)整合商，在一開始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及鏈接度等技術(shù)討論與考慮，才能有穩(wěn)固的基礎(chǔ)架礎(chǔ)。

接著列出營運(yùn)問題癥結(jié)點(diǎn)，并簡明扼要闡述目標(biāo)，針對各問題逐一確認(rèn)解決方式及流程。以下為建議的智能工廠設(shè)計(jì)流程。

評估分析營運(yùn)困難點(diǎn)

營運(yùn)問題可能是環(huán)境和技術(shù)因素，或企業(yè)內(nèi)部流程改善需求。解決問題可具體如改變舊式網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)升級為以太網(wǎng)絡(luò)，或廣泛設(shè)定將未來五年公司制造成本降低10%。

依據(jù)營運(yùn)問題的不同，皆有不同解決方案。例如：機(jī)械建造公司已經(jīng)使用多年計(jì)算機(jī)整合制造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)系統(tǒng)。由于公司并購，既有系統(tǒng)需導(dǎo)入新的操作系統(tǒng)(MES)并改變制程控制標(biāo)準(zhǔn)流程。CIM系統(tǒng)架構(gòu)因?yàn)椴环险弦?，以至效能不彰?/p>

淘汰CIM操作系統(tǒng)并不是解決問題的唯一方式，整體設(shè)備的效率必須要提升，還必須可以跟全公司的運(yùn)作系統(tǒng)互通。例如采用智能型I/O進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，協(xié)助優(yōu)化既有的CIM并連網(wǎng)至MES，可提高設(shè)備效率，達(dá)成制程一致性。

擬定營運(yùn)目標(biāo)

以問題癥結(jié)點(diǎn)為核心，擬定營運(yùn)目標(biāo)并以重要性設(shè)定優(yōu)先級，可辨別任務(wù)關(guān)鍵性及其效益。公司、整合商和供貨商可選擇最適當(dāng)?shù)闹悄苄蛷S區(qū)解決方案，確保項(xiàng)目完成時(shí)達(dá)成營運(yùn)目標(biāo)，同時(shí)考慮長期營運(yùn)和成本維護(hù)，預(yù)先設(shè)定未來擴(kuò)充或縮減需求(圖1)。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃工作表范例格式

例如：飲料公司的廠區(qū)管理者面臨對生產(chǎn)線的掌握及控制不足，決定今年目標(biāo)除了降低人事成本外，并將既有裝瓶生產(chǎn)線連接到新的MES系統(tǒng)，以加強(qiáng)管理層的控制和掌握度。計(jì)劃是，先將廠區(qū)MES儀表板中生產(chǎn)線1至8的傳感器設(shè)定達(dá)成最大的實(shí)時(shí)顯示度，從中稽核傳感器和通訊協(xié)議，了解其適合的解決方案，以將各種傳感器和致動器連接到SCADA系統(tǒng)，再進(jìn)一步連結(jié)至MES。因此，協(xié)同經(jīng)銷商、系統(tǒng)整合商與系統(tǒng)供貨商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)稽核為必要事項(xiàng)。

了解主要流程互通狀況

智能型廠區(qū)的連網(wǎng)挑戰(zhàn)是通訊協(xié)議劃分，端視特定作業(yè)而定，可能會連接互不兼容或?qū)貴ieldbus自動化通訊協(xié)議。須確認(rèn)內(nèi)部資源、歷史記錄、產(chǎn)品裝置、端節(jié)點(diǎn)和設(shè)備，而后記錄其對應(yīng)的通訊協(xié)議、實(shí)體接口、廠區(qū)地點(diǎn)和作業(yè)用途，才能了解各自的通訊協(xié)議。同時(shí)讓供貨商或系統(tǒng)整合商了解技術(shù)、裝置或設(shè)備相關(guān)的任何限制及需求。

借助實(shí)施網(wǎng)絡(luò)稽核，確認(rèn)營運(yùn)困難點(diǎn)和目標(biāo)并與相關(guān)單位溝通，即可部署連網(wǎng)計(jì)劃。運(yùn)用連網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)自動化解決方案的專業(yè)知識實(shí)現(xiàn)營運(yùn)目標(biāo)概念，并以訂制解決方案符合稽核表要點(diǎn)(圖2)。

圖2 工業(yè)設(shè)備連網(wǎng)自動化稽核格式范例

例如：現(xiàn)今的MES能夠支持全廠區(qū)連網(wǎng)，但無法進(jìn)行大規(guī)模的系統(tǒng)診斷和生產(chǎn)分析。因此廠區(qū)營運(yùn)經(jīng)理必須整合既有I/O設(shè)備，以更有效落實(shí)接口設(shè)備智能化。透過位移傳感器與系統(tǒng)的整合至廠區(qū)既有的SCADA系統(tǒng)內(nèi)，以及接口設(shè)備計(jì)算，可讓系統(tǒng)達(dá)到實(shí)時(shí)分析并優(yōu)化生產(chǎn)線。而帶寬和局域網(wǎng)絡(luò)效能的提升，得以支持龐大的數(shù)據(jù)量從傳感器傳輸至MES。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定及安全性，區(qū)域子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和防火墻區(qū)塊設(shè)計(jì)必須納入解決方案中。為了達(dá)到此效益，營運(yùn)經(jīng)理必須掌握所有資源、傳感器、裝置，對應(yīng)其通訊協(xié)議及實(shí)體接口，依據(jù)工作流程分類載記，將所有細(xì)節(jié)納入連網(wǎng)解決方案。

衡量效益選用適切連網(wǎng)方案

投資成效的驗(yàn)證并不容易，尤其當(dāng)所要改變的專業(yè)領(lǐng)域?yàn)閮H占整體營運(yùn)中特定的制造作業(yè)流程。透過明確的營運(yùn)成本及資金效益預(yù)估，才能顯現(xiàn)智能型連網(wǎng)廠區(qū)投資的隱藏成本和效益。經(jīng)由審慎的資金預(yù)估，結(jié)合初期投資報(bào)酬率，可有效量化營運(yùn)效益。

例如：中等規(guī)模半導(dǎo)體營運(yùn)的廠區(qū)經(jīng)理經(jīng)過長期謹(jǐn)慎確認(rèn)既有流程裝置，將裝置名稱、位置、通訊協(xié)議、實(shí)體接口和廠區(qū)地點(diǎn)輸入網(wǎng)絡(luò)稽核工作表。并且提供內(nèi)部初步繪圖與計(jì)劃，以問題癥結(jié)點(diǎn)擬定營運(yùn)目標(biāo)，廠區(qū)經(jīng)理得以有多種連網(wǎng)解決選擇方案。為達(dá)到投資效益(ROI)優(yōu)化，廠區(qū)經(jīng)理須將停機(jī)時(shí)間、人事成本、總擁有成本均納入考慮。

在不影響企業(yè)正常營運(yùn)程序的前提下，也可將自定義的廠區(qū)自動化部門工具模塊、投資回收計(jì)算工具提供給客戶以確保在與內(nèi)部相關(guān)人員提出投資溝通即進(jìn)行決定時(shí)，不遺漏任何技術(shù)或成本考慮。投資回收計(jì)算工具可用于：

?計(jì)算停機(jī)時(shí)間的成本

?預(yù)估導(dǎo)入IIoT投資后每年節(jié)省的成本

?計(jì)算IIoT投資的投資回收期間

智能工廠最終目的是以智能型的模式提升生產(chǎn)效能，將營利優(yōu)化：為了將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)效益最大化，許多互不相通的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)必須能彼此相互配合協(xié)作。Moxa是領(lǐng)先業(yè)界的工業(yè)連網(wǎng)與自動化公司，為許多垂直應(yīng)用市場提供連網(wǎng)解決方案。Moxa提供3000多種產(chǎn)品、并已經(jīng)連接4000多萬組裝置，而且見證將過去獨(dú)立運(yùn)作的工業(yè)串行網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之后，掌握數(shù)據(jù)的明智優(yōu)勢而對現(xiàn)場或廠區(qū)調(diào)降虧損底線并提高獲利的效益。