工业

OT与IT全面整合 工业物联网(IIOT)开启大连结时代

字号+ 作者:王明德/廖专崇 来源:2cm 2018-05-09 09:02

工业物联网被视为下一代制造系统的骨干架构,透过OT与IT的串连,让制造系统中各环节的信息可以被完整撷取并无缝串流,从而达到智能制造愿景。


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工业物联网被视为下一代制造系统的骨干架构,透过OT与IT的串连,让制造系统中各环节的信息可以被完整撷取并无缝串流,从而达到智能制造愿景。
 
2011年德国总理梅克尔宣布启动工业4.0后,全球制造业开始掀起智能化浪潮,包括中国的中国制造2025、美国的网宇实体系统(Cyber-Physical System, CPS)、日本的产业重振计划等,除了政府机关外,产业界也开始积极布局,透过工业物联网的建置,链结IT与OT系统,整合制造现场的操作系统与企业端的信息系统。
 
OT系统不求整合只求稳定
 
过去制造业的OT系统与IT系统各自负责的工作泾渭分明,OT系统作为制造用途,大部分的工业设备在发展上,走得一向都比消费性电子产业慢,原因有二。一是工业设备造价昂贵,安装困难,不可能如手机、PC大约1~2年就会有一波换机潮,而工业设备一般的使用年限都在7年以上,因此设备供货商都起码必须有5年以上的保证供货期间。二 是生产设备首重稳定,能否快速、稳定地持续产程才是业者的第一考虑,毕竟工业设备要求的是最适化而非最高效能的产品,加上消费性产品或标准在刚推出时,都会有一段质量的不稳定期,因此工控产业都会等到该技术标准在市面上经过长期的使用,证明已完全成熟后,才会开始导入。例如控制器,传统PLC长期称霸市场,即使PC技术已成熟多年,但也是到了近期才开始被应用在控制方面,而即使如此,产业中仍有PC-based控制器不稳定的印象存在,认为PLC已可提供最适性与稳定性。
 
同样的情况也出现在OT系统的工业通讯部分,工业网络从无到有的确是历程艰辛。工业网络不如商业网络的发展迅速有两点因素,首先是成本考虑:要建置网络必须花上一笔费用,尤其是针对一些低阶或是非电子类的设备来说,目前网络设备价格虽已逐渐平实,但对规模不大的厂商来说仍是一笔负担。第二是工业网络标准太多,各工控设备厂商从自身利益考虑,力推自家的网络规格,协商标准统一时,往往不肯牺牲利益而让步。不同的网络协议各有特点和其存在的环境和价值,而当技术不断地被创新,新的协议持续诞生,使用者往往无所适从,担心一但选用了其中一种协议后,会受制于特定厂商。
 
尽管有着上述缺点,面对网络技术所带来的种种优势,工业网络仍开始蓬勃发展起来。其优势最明显的就是省配线,如果可以用一条网络线就将数以百计的组件连接起来,而不必再以并列传输的方式使用数百条传输线,将会大幅减少配线时间与电箱空间;另则依照软件的观点,每个连上网络的组件都被视为对象(Object),这些组件的新增与移除就可以用软件的方式达成控管,而网络化的组件通常也会加入自我诊断的功能,当组件发生故障时,这些讯息可以透过因特网传回给控制台,控制台再经由网络检测出连接上网的组件来监控并回报。网络的自我建构也同时可以减少系统设定的时间,经由监控每部机器的运作状况所产生的数据,更可提供给企业作为营运参考。
 
三种模式架构新世代工业通讯 
 
在智能化趋势下,新世代的工业网络开始启动,从图1可以看出,现在OT系统的通讯设计必须包括数字化、双向、多站等特色。整体来说,现在的发展主要有3种现场总线(Fieldbus)模式:第一种是专用、封闭型,规范由各家公司自行研制,往往是针对某一特定应用领域而设,效率也是最高,但是在相互连接时就会显得各项指标参差不齐,推广与维护都比较难以协调。此类专用型工业网络有三个发展方向,第一是走向开放型,使它成为标准,二是继续封闭系统,保持原占有率,三则是设计专用的网关与开放型网络连接。
 

图1 现代化的OT系统的通讯设计包括了数字化、双向、多站等特色。
 
第二种为开放型,不过所谓的开放型并非全面无条件开放,通常无条件开放的仅有一些简单的标准,其他都是有条件开放,或仅对其成员开放。亦即生产厂商必须为组织成员,产品必须经过该组织的测试、认证才可在该工业网络系统中使用。
 
第三种为标准型,例如符合国际标准的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络。这些也都会遵循ISO/IEC7498国际标准,亦即OSI 7-Layer参考模型,工业网络大都只使用其中的物理层(Physical Layer)、数据连接层(Data Link Layer)和应用层(Application Layer)。一般工业网络的制定是根据现有的通讯接口,或是自己设计通讯芯片,然后再依据应用领域,设定传输格式,例如DeviceNet的物理层与数据连接层是以CANBus为基础,再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。上述三个种类大致架构出目前的工业网络环境,欲建构者可依本身的需求选择适合自己的网络设备。
 
网络在一般IT领域已蔚然成林,技术成熟度已然足够,在OT系统上的应用则仍有成长空间,不过近年来借助智能制造风潮带起的工业物联网,则将加快其发展速度。就目前来看,OT与IT系统所使用的通讯设备有些许程度差异,工业用的通讯设备在设计上会更重视环境的适应度,包括温度、湿度、防尘、防震等,都比IT的规格更严苛。尽管如此,仍有厂商将一般IT设备使用于工业环境,不过如此一来轻则讯号容易传递出错,重则机台当机、产线停滞,因此厂商要建置工业网络环境时,最好还是透过系统整合厂商做整体规画,以免因小失大。
 
工业物联网 串连四层架构
 
除了上述的三种传统的Fieldbus外,以太网络在近年被大举导入OT领域,尤其在工业物联网架构中,更成为工业通讯不可或缺的一环。在整体工业环境中,目前仍以Fieldbus作为现场层与控制层之间的链接,但在工业物联网系统中,OT架构还往上扩增了操作层与管理层并连接到IT端,而观察目前发展,云端会是主要整合的平台。
 
从架构面来看,工业物联网是由四层产业的产业链组成。第一层为IoT感知层,感知需要大量的感知设备(Sensing Devices),而感知设备之间的沟通技术逐渐发展成以无线为主。第二层是嵌入式平台产业(Embedded),它是一种感知的边缘(Edge),物联网一定是先感知,然后到Edge边缘。第三层是产业应用,第四层是云服务,物联网的云服务是服务「物」的,应用在工厂、物流、零售等,想要把各个场域的感知器连起来,就会需要相关软件程序在其中进行大量的运算与整合,协助数据的分析与应用。
 
研华技术官杨瑞祥表示,前端的资料搜集与整合大多是依靠硬件,后端的分析与处理则是软件为重,他以研华推出的WISE-PaaS平台为例,此平台串连四层架构,主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供设备联网与无线感测整合的软件服务,透过WISE-PaaS/WISE Agent数据撷取串接传感器进行数据汇流,与IoT边缘智慧服务器(Edge Intelligence Server, EIS)做初步智慧化分析后,WISE-PaaS/EnSaaS链接云端部署进行指令实时下达,实现物联网端到云的快速沟通串流,让数据从搜集到归纳,再串连到云端一气呵成。
 
物联网时代透过云端与网络协助整合信息已经成为常态,杨瑞祥指出,工业物联网未来将从硬件为主的功能导向,走向软硬整合的数据驱动发展,透过整合的云平台将数据分析工作变得更加简便;另外,因应产业的不断变动包括规格、标准、产业需求、新兴应用等,WISE平台也非常强调弹性Design for Evolution概念,期待能透过弹性化的架构与更新机制,满足客户对于上述变动的需求。
 
由于未来工业物联网应用层面将会不断扩大,每个不同的垂直产业差异性很大,杨瑞祥强调,WISE与大型的云服务平台兼容互补,并不是竞争的关系;研华的云服务可以横跨支持不同的平台,尽管现在大部分的业务模式还是以硬件计价,但软件的搭配已经不可或缺。平均而言,单纯硬件销售的毛利都非常低,与软件有关的云服务营收贡献尽管不高,但却拥有高毛利的特性,部分厂商云服务占营收9%,但却贡献70%的利润。
 
另外,由于物联网应用的碎片化特性,大型云平台对于个别产业的特殊需求较难满足,研华从工业计算机的本业出发,针对IIoT发展许多产业专业应用模块,同时,WISE平台也强调在线/线下整合的便利性,与不同的系统整合伙伴还有客户进行深入合作,利用物联网找出产业价值,建立、强化核心竞争力,协助客户技术与产品营销全球。
 
 
 





 


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