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工業通訊扮演系統整合橋梁 打造最適化智慧製造環境
 

【作者: 王明德】   2020年02月24日 星期一

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工業史上過去的三次革命,雖然都是透過新技術的引進提升生產效能,不過這些新改變都仍固封於OT系統內,並未與OT以外的系統有所連結、整合,1990年代,IT技術開始蓬勃發展,各類產品與應用快速浮現,2011年德國喊出的工業4.0,核心概念就是整合IT與OT兩大系統,最大化OT系統的數據價值,而在IT與OT的整合中,工業通訊扮演了數據與資訊傳遞的重要角色。


工業乙太網路技術成熟

OT與IT的整合概念是從2011年的工業4.0啟動,但在這之前,工業市場就已有大量的工業乙太網路產品。就架構來看,過去的自動化製造系統只分為現場層與控制層,而現場總線就做為這兩層之間的訊息傳遞橋梁,然而若就效率面來看,只有現場層(Field Level)與控制層(Control Level)的自動化架構,其效率已達飽和,要提升附加價值,必須再擴大系統層次。



圖1 : 在自動化領域,工業乙太網路技術與相關產品早已成熟,智慧製造趨勢出現後,此技術更受業界的重視。(source:Design World)
圖1 : 在自動化領域,工業乙太網路技術與相關產品早已成熟,智慧製造趨勢出現後,此技術更受業界的重視。(source:Design World)

在此概念下,長期以來在消費端的IT技術被沿用到工業領域,整體架構也多了作業層(Operation level)、管理層(Management level),其中作業層負責整合控制端設備,管理層則是企業使用已久的MES或ERP等e化軟體,由於作業層、管理層採用IT架構,工業總線(Fieldbus)無法與之鏈接,必須採用乙太網路串聯。


不過,自動化系統架構的擴展也讓通訊標準成為問題,現場層、控制層使用現場總線,作業層、管理層使用乙太網路,要使這四層成為一體,也就是所謂的OT與IT整合,彼此之間的通訊必須能互連,在此狀況下,就出現了專門生產各種橋接器的廠商,此類橋接器讓現場總線得以與上層的乙太網路鏈結。


如果從供應商的角度來看,這也是因為工業領域中,各自動化大廠堅持各擁其現場總線規格的紛亂型式,造就了台灣工業通訊廠商的競爭優勢。


要解決OT與IT系統的通訊問題,除了台灣廠商提出的各種橋接產品外,制定各種線場總線的廠商也紛紛提出解決方案,不過與台灣廠商不同的是,這些原廠的方案是不再使用現場總線,而將乙太網路直接貫穿到OT系統,也就是所謂的工業乙太網路,像是西門子的PROFINET、洛克威爾的EtherNet/IP、三菱的CC-Link IE…等。


乙太網路過去在工業控制的應用瓶頸主要來自於即時性不足,由於乙太網路的封包為隨機碰撞,無法預期下次的碰撞時間,因此在傳遞時間上會有所延遲,為了改善此一問題,各廠商紛紛找出解決方式,例如PROFINET就是重新制定封包型態,並於頻寬中切割出一條控制封包專用頻帶,讓此封包不再採碰撞式傳遞,而達到自動控制系統的即時要求。


工業乙太網路解決了新世代製造系統不同層次之間的隔閡問題,除了減少以往需另購的橋接成本外,也透過單一通訊標準,讓系統整合更為緊密,不過工業乙太網路架構會否取代現場總線,成為工業系統的唯一標準?未來變化難以預料,不過目前看來仍不可行。


現場總線仍是必要 化繁為簡建構智慧產線

長期專注工業通訊的四零四科技工業物聯網解決方案處市場亞太區事業處開發經理林昌翰也同意此一看法,他指出生產設備是製造業的生財器具,當初購入成本都非常高,因此不可能因為新概念興起就整批重置換新。



圖2 : 四零四科技工業物聯網解決方案處市場亞太區事業處開發經理林昌翰指出,四零四的NPort,因應自動化市場的變化,規格與架構也與時俱進,不斷推出新功能。(圖片/四零四科技提供)
圖2 : 四零四科技工業物聯網解決方案處市場亞太區事業處開發經理林昌翰指出,四零四的NPort,因應自動化市場的變化,規格與架構也與時俱進,不斷推出新功能。(圖片/四零四科技提供)

一般做法是依需求逐步添購新設備,這也讓新舊設備共用成為製造現場的常態,而產線中的儀表與部分設備,序列式標準仍是最穩定可靠的通訊技術,因此透過橋接方式將現場紛亂的序列式通訊標準,轉化為統一的OT標準或乙太網路,仍是目前最方便可行的方式。


台灣西門子數位工業資深產品經理林瑞媛的看法也與林昌翰一致,她以PROFIBUS和PROFINET為例指出,即便PROFINET現在已成為市場占有率最高的工業乙太網路通訊標準,不過在製造現場,PROFINET仍難取代PROFIBUS,由此來看,現場總線與工業乙太網路在可見的未來仍會共存,不致於出現後者取代前者的狀況。



圖3 : 台灣西門子數位工業資深產品經理林瑞媛表示,西門子的自動化產品線完整,可協助業者建置出品質與期望相符的智慧化產品。(攝影/王明德)
圖3 : 台灣西門子數位工業資深產品經理林瑞媛表示,西門子的自動化產品線完整,可協助業者建置出品質與期望相符的智慧化產品。(攝影/王明德)

因此,在舊設備仍是製造現場主流的狀態下,克服既有產線中不同規格現場總線,是導入智慧製造的最大難題,對此,林瑞媛建議可將通訊總線分層歸類,先簡化後再重整,以利於整體系統的運作與維護。


至於在產品與架構選擇方面,林昌翰與林瑞媛都指出,工業通訊發展多年,技術都已經到位,因此製造商不必擔心產品是否成熟可用,只需考量本身需求,選擇合適架構即可。


聚焦工業通訊 四零四產品彈性與效益十足

就目前市場選擇來看,工業通訊產品的供應商分為兩類,一類是專注於工業通訊產品的廠商,四零四科技則是此一領域的翹楚,這類型廠商的產品策略是針對不同現場總線規格與工業乙太網路,推出各種通訊設備,協助廠商構建出整體現代工業通訊網路架構。


由於工業系統訴求穩定,所使用的產品都必須通過長期的市場檢驗,因此這類型廠商的解決方案都已經過市場驗證,林昌翰以四零四科技的NPort為例,這系列產品在十幾年前就已推出,因應自動化市場的變化,此款產品也不斷與時俱進,不斷推出新功能。


整體而言,這種聚焦於工業通訊的廠商,其產品特色是穩定、靈活、效能等特色兼具,可以因應廠商的不同需求,組建出合身的通訊架構。至於與外部廠商的合作,工業通訊業者的腳步也都相當積極,像是四零四科技就可與微軟的Azure公有雲鏈接,協助資源有限製造業建構起完整的工業物聯網系統。


除了雲端平台這類的基礎架構外,在IT端四零四科技與國內系統整合大廠精誠資訊是聯盟夥伴,林昌翰表示,精誠資訊以IT技術見長,四零四科技則以OT為主,雙方合作可以發揮更大的戰力。


完整產品布局 西門子讓產線效益不打折扣

第二類工業通訊產品供應商是西門子、洛克威爾、三菱這種全球等級的自動化大廠,這類型大廠的產品線完整且規格統一,可以協助製造業者如期如質的完成系統建置。


相較於第一類廠商,自動化大廠的工業通訊設備單價較高,因此規模不大的製造業者過去選擇此類產品的意願並不高,不過林瑞媛指出,製造業成本不能只看單一設備的價位,必須從整條產線甚至是企業布局的角度評估,在智慧製造時代更是如此。她進一步表示,製造系統的成本不僅止於設備購入價格,還要包括設備導入時的效益調整、導入後的維修、企業成長後的產線擴建等,如果納入這些未來將會產生的成本,大廠的產品投資效益反而更高。


林瑞媛以多廠牌產品系統整合和使用單一大廠產品相比較,多廠牌產品必須耗費大量時間與人力資源整合,在整合過程中,不同廠牌的設備也有可能因為必須彼此遷就調整,導致效能打折。另外,由多方設備整合的系統都屬於客製化架構,當製造業有擴廠需求時,原有的系統架構也不容易複製。以上這些都是製造業者在選擇系統架構時必須考量的重點。


調整心態與做法 完善規劃智慧轉型策略

除了架構選擇之外,導入前的規劃更是決定系統成敗的關鍵,智慧製造系統的通訊架構龐雜,導入時的各項細節都要注意,不過要順利介接IT與OT系統,讓效益可以如預期浮現,導入前的規劃更是重點,這方面的規劃包括整個領導階層與執行人員的心態調整、企業組織變革、外部資源整合與不同期程的目標規劃等。


因應智慧化趨勢,製造業的轉型布局越來越積極,只是智慧製造的概念與之前製造系統不同,許多製造業者的作法與心態未能與時俱進,導致系統的建置困難且時程拉長,因此導入前第一步是領導者必須調整心態。智慧化是製造業永續發展的必要策略,同時牽動企業內部IT與OT兩大區塊系統,領導階層不能只是當作公司內部新設備的導入,必須視為企業整體營運目標,擘劃出不同期程的建置目標與步驟,並將這些規劃在公司內透明化,讓所有人員知道每一步驟與背後的意義,內部員工的抗拒心態就能有效降低;此外以大面向策略推動,也有利於轉型腳步調整與效益浮現期的掌握。


成立跨部門組織 領導者需調整思維與做法

除了完整的規劃外,領導者的另一個必要動作是親身參與,不同於過往新設備、新系統導入時,都由IT或OT等特定部門負責,智慧製造所涉及的部門不僅是資訊與製造,業務甚至財會等部門都與之有關,要溝通不同部門的利益需求與職責,就必須由領導階層出面,成立專責轉型的跨部門平台,在此平台中釐清各部門的痛點與需求,並彼此協調找出可行的解決方式,如此才能建構出合於企業需求的智慧化平台,讓系統效益如預期浮現。


**刊頭圖(source:Blumenbecker)


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