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工业4.0之平台篇 合纵连横,群雄竞逐产业升级商机

时间:2016-05-11 11:15来源:Compotechasia 作者:任苙萍 点击:
相较于其他工业4.0系统大厂的「套餐式」服务,Intel平台更能加速工业4.0系统的商用化或导入时程,且便于为生产管理平台进行各种智慧服务设计;而 Wind River 在收归Intel旗下后,理所当然亦是工业因特网联盟 (Industrial Internet Consortium) 及开放互连基金会 (Open Connectivity Foundation, OCF) 的成员,对基本协定的底层验证帮助甚大。自动化设备先驱凌华则点出,用户要求不再单是组件或平台层级产品,而是逐渐走向 Application Ready 准系统形式。
 
虚拟量测大厂NI实地感受到中小企业因资金有限,设备多只能定期维护或被动善后的痛点;且传统制造业在升级现有设备时,容易遇到人机界面转换的障碍,浅显易懂的图形操作将可降低学习成本。与半导体、零组件通路商、IoT gateway设备商多有合作的Exosite 总结,以往相形封闭的垂直产业结构,将因开放式合作平台蜕变;而商业价值链主导力量亦将由硬件转至软硬整合系统服务厂商手上,既有商务流程亦将面临转型与变革。
 
Intel:智能始于物联,物联首重弹性
要实现智能制造,必须掌握产线「实时性」这项关键因素。现代工厂都有「企业资源规划」 (ERP) 系统的布署,虽有物料分配管理功能,但关于产线设备、材料耗损与半成品在工厂中转移等动态数据却无法记录,于是衍生出「制造执行系统」(MES) 的配置,专司生产过程的优化管理。MES 对于产线资源分配、人员管理、生产质量管理,与设备维护等优化分析工作,是以一天到数小时一次为周期在循环;理论上,如此较能精确掌控产线设备状态与数据,然而由于设备种类十分多元,至今 MES 仍无法实时监控所有设备。
 
英特尔 (Intel) 提出物联网网关 (IoT Gateway) 概念,包括协议及多元文件格式的转换,作为产线设备与工厂管理系统的双向通讯桥梁,实时收集产线各项数据。Intel 将部分运算、分析与预测功能运用在 IoT Gateway 中,让产在线所有设备有更先进的决策机制,实时察觉异状,同步回馈对应的决策模式修正。Intel 物联网解决方案架构师庄钦龙博士表示,目前制造业者的生产设备大多未有实时且统一的数据收集接口,而厂内从生产到后勤物流运筹所涉及的流程繁琐复杂,若出现大量不良品的后续处理极为棘手,不利生产效能与物料成本管控。
 

照片人物:Intel物联网解决方案架构师庄钦龙博士

 庄钦龙举例说,电子组装厂在 SMT 制程中,自动光学检测仪 (Automated Optical Inspection, AOI) 于板上组件装配后,往往将各项质量检测项目的误差容忍度设定在非常敏感的数值,几乎每一片电路板都需要在线操作员亲自检测;但其实许多电路板异状对于最终生产良率并不会造成影响。将测试条件设定如此敏感,将浪费许多人力在无谓的检查工作,导致整体生产效率低落,当异常大量发生却无法找出根本问题来源。因此,智慧工厂应聚焦于:如何透过 IoT Gateway 收集生产数据并加以分析、建立自动检测模型,以优化生产排程并提高整体产能。 
 
为了让服务器和可视化技术能相得益彰,Intel 以开放态度海纳多种工业自动化系统中常用的控制与通讯协议,让设备商得以轻松介接各种工厂生产在线的机台、机器人、控制器及其他制造设备,使数据的撷取与传输不再受到限制;当产在线的设备与数据都可被收集与整合,智能工厂不仅能确保所有生产步调一致,还能透过数据分析实时揪出不良品及肇事原因。庄钦龙表示,Intel 的智慧工厂策略是以既有工业自动化中的 ERP 与 MES 为基础,实现上述的各项技术于产在线,让客户的生产机具得以实时修整至最佳状况,朝工业4.0目标挺进。

  
图1:有强力的底层整合奥援,开发商或导入者更能兼顾市场趋势及自身需求 

庄钦龙指出,迈入物联网时代,需要产业生态系共同作战的新型合作模式,非仅止于硬件商与系统整合商的合作,许多独立软件公司 (ISV) 更担当物联网功能多样性的加速器,或是结合各种硬件与系统、形成特定智能化服务的触媒转化器。Intel针对从传感器到云端各项关键技术,投入大量资源进行软、硬件开发,形成一个开放式且跨 Quark、Atom、Core与Xeon 系统处理器的通用系统,让工业自动化产业的合作伙伴及工厂内部自动化专业团队,享有成本与设计的最大自主性,根据客户需求规划系统,无缝链接工厂ERP与MES系统,实时优化产线。
 
Wind River:建构「软件定义」云端平台
工控嵌入式系统龙头厂商风河 (Wind River) 认为,工业4.0在不同的时间轴进展各异。在网络无所不在的今天,设备连网是人们普遍的期待——亦是最基本、最关键的步骤;其次是装置及系统日趋智能化,将带来新的效率展现与获利途径,创造更多价值;最后是「软件定义」势力兴起,意谓工厂端也须虚拟化。透过 RESTful API (符合REST设计风格的Web API) 串接建置的智慧工厂,可改善反应时间和服务器负载能力,利于与其他系统及数据源整合,且可经由 IoT 设备远程控制,包括:命令执行、软件更新、障碍监控、数据收集、故障预警等功能。
 
该公司基于嵌入式专业而发展的「Helix Device Cloud」物联网云端平台,为成千上百的 IoT 设备提供开通、设定、监视等服务,这些数据将在安全、可扩展且弹性的架构中传输,且机器对机器 (M2M) 沟通不会有延迟,便于流畅管理;有助建立 IoT 设备管理能力,克服设备「有生之年」可能遇到的挑战,并可撷取、分析 IoT 机器效能,供研发和后续咨询之用。它在边缘服务器连接到云端或内部人员着手分析前,捕捉可能发生的问题,以快速导入创新产品和服务。特别一提的是,它是依使用人数及时间收费,且服务内容可客制调整,堪称经济实惠。 
 
图2:Wind River为ODM及设备厂,提供完整Edge-to-Cloud连网解决方案
数据源:Wind River网站

 Wind River 表示,智慧工厂对生态圈影响甚巨。为寻求「效率规模」,原料供货商和成品贩卖者的合作关系将打破传统工厂隔阂,处于一个全新层级;与此同时,原物料供货商亦能在权衡「在地化」及「全球化」思惟时获得启发,牵动商品售价策略、促使新竞争者加入或成本过高的生产者退出市场。另响应能源及减碳等环保政策,业界需要新技术以建设更为友善环境、永续发展的条件。Wind River 亦顺应时势,从单机操作系统迈向IoT垂直整合平台,包括工业自动化;尤其看好对不良率容忍度低、或有连续生产需求的制造业,有升级智能工厂的急迫性。
 
Wind River工业事业群亚太区总监暨台湾区总经理苏奎锦指出,该公司素以高精密、高可靠着称,甚至有不少自由软件采用者被其稳定性吸引,转而投向 Wind River 怀抱。他介绍说,Wind River除用于通讯、军事、航空等实时性要求极高的「VxWorks」外,另有专为感测网络设计、可直接与「Helix Device Cloud」连接的「Rocket」小型系统;即使机台本身没有应测器,也可借助跨平台「Pulsar」开源技术以 Gateway 连网。在硬设备开发方面,Helix 有 App Cloud 与 Lab Cloud 分别供开发及模拟使用,至于硬设备控制,则有 Helix Device Cloud (HDC) 用于远程监控与维护。 
 

照片人物:Wind River工业事业群亚太区总监暨台湾区总经理苏奎锦 
 
凌华:DDS连网协议有助横向串联「小单元」装置
智能工厂狂潮驾临,为工业计算机厂商开辟大展身手的契机;凌华科技 (ADLINK) 由于投入甚早且以创新闻名,一直与Intel及Wind River保持紧密合作,是 Intel IoT Solutions Alliance 优选会员 (Premiere member);全球仅有五家厂商名列最高等级,凌华即为其中之一。该公司量测与自动化产品事业处协理游璨铭对工业4.0有深入观察,透露即使西门子、三菱等自动化设备大厂皆有完整解决方案,但均属「独规」,现阶段并无统一标准。虽然 2006 年曾诞生第一个工业 M2M 互操作性开发的通讯协议——「OPC统一架构」(OPC UA),可惜却有几大缺憾。 
 

照片人物:凌华科技量测与自动化产品事业处协理游璨铭 
 
例如,与 DCOM 配置频繁、无超时组态和 DCOM 控制机制,以及安全等级不足等,皆不利IoT发展。为促进跨平台沟通的效率及安全性,凌华力推美国军方连网标准 DDS (Data Distribution Service,数据分布式服务),并于去年底收购该领域先驱 PrismTech 公司,冀透过软硬件整合——以Vortex软件优化凌华既有产品,深化各种市场应用。游璨铭指出,物联网的生态圈往往是由很多「小单元」组成,包括与手机等行动装置的结合;采用 DDS 的优点在于它不须另行架构新阶层,格外适合独立而分散的节点互连,方便周边装置随时进出网域。
 
更引人瞩目的是,DDS 协议的算法特别适用于多对多 End-to-End 型态,能保证实时反应速度且可预测性高。事实上,DDS 在公共设施、智慧城市、电厂及炼油厂已行之有年。游璨铭认为,智慧工厂最显而易见的好处是减少物资、人力和时间等资源浪费。尤其在讲求少量多样、市场变动迅速的后制造时代,从进料、生产到销售都需要精算,否则可能因生产过剩而蒙受损失。然而在转型过程中,终端导入者对于该导入哪些基础架构的技术应用,未必有确切认知,而凌华正是重要技术推手。 
 

图3:智慧工厂必须将多个工厂设备连接至云端,并分析设备收集而来的数据、进行预测,对产品及相关机械设备实施优化控管 
 
从设备感测、M2M对话到服务器,凌华因应导入者的个别产业需求,协助建置高效率的沟通架构及模型,利于排程变更和设备诊断,以降低市场不确定性与设备停工所造成的冲击。游璨铭表示,目前车厂市场导向的「order to make」生产模式已蔚为风潮,若能提高效率,下订到出货时间可从一年大幅缩短为三个月。自 PC-based 和手持终端嵌入式系统出发、扩展到量测及服务器云端技术,加上积极参与国际标准化组织且有不少示范性客户加持,凌华在机器视觉、运动控制等自动化布局完整,是不少系统整合商 (SI) 或自有 IT 团队制造业者的得力后盾。
 
以「机械故障预测及诊断」情境为例,透过凌华 USB-2405 动态讯号撷取模块采集传感器数值,传送到 MXE-200i 网关做初步运算并上传云端,再结合凌华自行开发的 SEMA Cloud 嵌入式云端平台,就能远程监视与控制;以应用导向智能平台 (Application Ready intelligent Platform, ARiP) 系统,结合应用软件服务,提升产品稳健性、可靠性及易用性,让 SI 有更大发挥空间。游璨铭建议有心导入智能工厂的业者,事前应审慎做财务分析、评估投报率——不只是单纯人机替代率,还应将培养相关技术人员及后续操作维护的成本纳入考虑。
 
NI:「量测」为智能工厂的基本功
同样着眼于「量测与自动化」,NI则是以量测起家,PXI尤为主力 (适用于军事航天、机器监控、汽车、工业测试等应用的计算机架构)。该公司营销工程师吴维翰表示,不管是工业4.0还是生产力4.0,皆为了提升本地制造能力、驾驭能源,工厂的自动化和智慧化,旨在了解问题根本并据以改进;而「量测」在当中位居前线关防要角,因为「量化」是展开改进的第一步,有量测为基准,才有修复依据。他以「战国时代」形容物联网世界的百家争鸣,牵涉层面和切入点甚多、且在可预见的未来数年,不太可能出现大一统的规格标准,故亟需各界相互合作。 
 

照片人物:NI营销工程师吴维翰 
 
吴维翰对NI相关解决方案做了简单导览:CompactRIO 嵌入式控制与数据撷取系统,具有实时处理器可用于独立或分布式作业,可嵌入到既有设备中,作为 IIoT (工业物联网) 检查哨;装上机壳,就变身为小型嵌入式计算机。它内建热插入工业级 I/O 模块,可直接与传感器、制动器连接,由控制器监控及诊断设备状态——搭载 NI Linux Real-Time OS,用于网络通讯、数据记录、控制与处理作业。机械专业出身的吴维翰强调,以「养生」观念善待机器,可延长使用寿命,且避免设备意外停机迫使产线停摆,方便厂务人员维运或补给备品。
 
吴维翰回顾,早期多以「定保」方式维护机台,虽可摒除部分停工风险,却无法预防意外。再者,「换新」不代表堪用,有数据显示80%的事故与时间无关,所以实时在线监测有其必要性。坦言,对中小企业来说,在采购设备后多盼能「物尽其用」,没有额外检测预算;但设备不像生物拥有自我修复能力,一旦出现磨损或裂痕只会每况愈下。例如,工厂风扇叶片不平衡可能进一步引发转轴歪斜,将产生更多问题;此时,用户可利用 CompactRIO 模块背板搭载的 FPGA 芯片客制化硬件,做 PLC 简单逻辑控制。
 
技术员不须另行学习程序语言,即可透过 NI LabVIEW 图形化程序设计工具快速开发。LabVIEW 内建数据转换机制,可于 I/O 模块与 FPGA 之间传送数据,供实时分析、后处理、数据记录或沟通网络链接的主计算机之用;以「积木」思维,将市面上主要通讯协议整合成直观选项。「所见即所得」的直觉式流程图操作,让制程、设备的关联性一目了然,方便追根究底。此外,用户可自行定义灯号、按钮等人机接口的呈现样貌,例如:绿灯代表机台正常运行、红色按钮代表紧急中止……让机械升级至数字化的过程更加自然、顺畅。

 
图4:LabVIEW有多种运算模型供用户选用
数据源:NI网站 
 
Exosite:软硬整合,突破单兵作战与时空限制
整合服务商远景科技 (Exosite) 主张,工业4.0应具备以下特质:1.虚实整合:将运算与通讯 (尤其是行动通讯) 嵌入设备作业程序,达到实时感知、动态控制,并提供即时消息;2.虚拟工厂:生产流程先在虚拟环境中模拟及认证,再将所有软件、参数、数值矩阵连结至控制量产的实体设备,进行生产设计、未知影响仿真、可视化所有数据控制;3.数据分析:整合量产、物流、服务,透过云端平台现场监控,采集生产设备与产品数据传送至云端分析,作为后续生产流程校准以因应市场变化;4.顾客导向经济:多样少量的客制化生产与销售将成主流。
 
该公司亚洲区营销长郁正德就其参与工业物联网开发经验,预言智慧工厂将改写现有产业的游戏规则:1.从一次性产品到永续服务 PRODUCTS > SERVICES;2.由硬件转为软件主导 EMBEDDED > CLOUD COMPUTING;3.从被动到主动提供 REACTIVITY > PROACTIVITY。他指出,物联网将改变原本产业生态,传统产业的价值板块亦将出现挪移。工业4.0将引导工厂内所有设备、物料、半成品、成品都将嵌入传感器或连接云端,记载实时数据,进而监控生产过程、提升生产质量、修正良率和效率、加速产品上市时程。
 
  
照片人物:Exosite 亚洲区营销长郁正德

 不过郁正德表示,硬件技术升级已达高峰,如何真正提升商业应用的价值将呈现在软件应用上。他指出,导入智慧工厂常会面临三大困境:云端平台可靠性 (Reliability)、连网设备沟通性与数据安全性。郁正德提醒,工业设备需要较高容错率,并克服恶劣及艰难的运作环境,长时间可靠性不可或缺;多数工业设备往往需使用十年以上,工业物联网装置须将此纳入参考,提供同等使用寿命。他并提到,欲将现有设备导入工业物联网,最大困难点是如何让设备和相关传感器顺畅沟通,重点在于通讯协议 (IP) 的建构,而数据安全亦是重要的一环。
 
为此,Exosite 提供整套云端功能来实作工业物联网所需的数据储存、装置管理、分析及相关应用,模块化、水平式、服务导向架构为其特点,并运用分布式雾运算 (Fog Computing) 节省带宽,增强整体系统效能。企业可灵活配置数据以便开发和维运,包括:装置元数据、数据源、装置群组、存取政策、处理元素、事件和警示等。企业主可透过开放式 APIs 呼叫者验证 (authenticated callers) 立即将手边数据与外部服务、客制化网络应用程序整合,或应用至其它内部系统。这些 API 经过优化,能轻而易举地与全球连网装置异地交换数据。
 

图5:Exosite单一云端平台可支持多个客户端执行 attaching script 应用,处理实时的数据流和自动化流程
数据源:Exosite网站

 多租户 (multi-tenant) 服务器架构能降低用户运作成本,并针对任务的关键数据彻底排除系统问题,避免停机;若有单租户和私有云需求,亦可客制化。此外,Exosite 所有敏感接口皆使用银行等级 SSL 加密,API 终端点会经由 SSL/TLS 通讯,避免窃听、窜改或讯息伪造;用户接口和网络应用程序则以 HTTPS 加密,可保护隐私和数据交换的完整性。简言之,Exosite 服务涵盖商业模式建构、产品设计、价值分析,到 UI/UX 设计、架构建置、现场测试与部署,服务器监控、负载平衡管理、入侵检测等服务,以及产出数据导向的智能分析。
(责任编辑:jane)
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