本文叙述一个用在自动化环境进行资料交换和处理的模型，能够作为智慧工业和物联网的安全的资料交换平台，将大量资料转换成有价值的资讯，并加以控制、监测与优化应用。

当机台、装置与设备变得更为智慧、连结性更高，每日产生的资料量也跟着增加。机器与智慧模组所形成的物联网（IoT）是构成工业4.0或智慧工业的基础。智慧工业的潜力在於将这些大量的资料转化为有价值的资讯，以及商业和竞争优势。该期??只有在资料被有效减量、分析，并且及时、安全地在涉及的各方移转、沟通时才能实现。

为了能够将资料使用於加值服务，MathWorks公司的ThingSpeak提供一个安全的资料交换平台，其中汇集了MATLAB和其他工具箱所具备的强大资料处理、分析、与视觉化能力。以PC为基础的控制，还藉着资讯科技（information technology；IT和营运科技（operational technologies；OT）的结合产生额外的好处，由於采用了标准的IT概念，可以很容易地整合网路连结以及与其他IT系统。

智慧工业和自动化金字塔

智慧工业将改变我们熟知的模式，例如已经有大约四分之一世纪的历史的自动化金字塔图形。作为工厂中的一个自动化模型，这个自动化金字塔可以以几种不同的方式来理解。除此之外，它也可以被视为一个用在自动化环境进行资料交换和处理的模型。本文接下来将对此进行讨论。

自动化金字塔由五个层级组成，被称为0至4层。本质相近的功能，像是现场总线（fieldbuses）、PLCs、SCADA控制系统、制造执行系统（MES）和企业资源规划（ERP）每一项都被单独地分配到一个特定的层级（图1）。

图1 : 自动化金字塔

这个金字塔可以具体分为两个部分。下半部包含位於第0层的感测器、致动器、驱动器、马达和工具的生产过程，它们负责实际的运作，而位於第1层的PLCs则负责流程的控制；上半部为企业管理层级，由SCADA（第2层）、MES（第3层）、和ERP系统（第4层）组成。

生产或M2M层

金字塔的形状不仅代表阶层结构，也反映资料在金字塔内水平或垂直的移动，大部分的资料是这样产生的。第0层的元件在机器不同部位和控制层之间提供具体的即时垂直通讯，其取样频率的范围可高达几kHz，因此现场总线必须传输这些大量的资料流，在此较常使用EtherCAT、Profinet和Ethernet/IP作为汇流排。

在第1层的PLCs，确保规划的流程在正确时间以正确步骤在要求的容许限制范围内执行。从水平来看，PLCs可以与其他PLCs透过EtherCAT Automation Protocol （EAP） 或UDP即时地通讯（例如动作资料的同步），或者透过OPC UA、ADS、TCP/IP和其他协定进行非即时的通讯。到目前，自动化主要发生在较低的两个层级。

公司层：B2M

企业到机台的通讯（Business-to-machine communication；B2M）负责启动上述的生产层。该通讯通常不会以即时运作，因为它基本上是依靠开关、路由器、防火墙、和其他有可能造成延迟的设施或装置。传统上，金字塔上层的决策会比较缓慢，而且会需要依据不断增加的浓缩资料。

然而，一个现今的智慧工业趋势是MES，或甚至是ERP层到PLCs的直接连接。不同於前面对於金字塔的诠释，这些较上方的层级不仅直接从下方层级捕捉在该处被减量和分析资料，还可以将处方资料直接传送到PLCs并且接收回传的状态报告，这促成了智慧产业所需的弹性和回应时间。这样的流程可以透过像是远端程序呼叫（Remote Procedure Calls；RPCs）和Beckhoff Automation的TwinCAT 3 SOA-PLC（用於服务导向架构的PLC）来实现。

B2M层的自动化

未来的生产和维护环境必须纳入的设备愈来愈多，这些设备分布於不同的地点或甚至遍及世界各地。在未来，机械工程师会希??能够比较并评估在世界各地运行的设备，并且依据远距的功能性提供维护合约。

在第2层和第3层设置自动化流程，并且连结远端设备可以组成未来的自动化：这些物件有??减少支出，促成更全面的资料分析，简化并加速命令和跨越全球组织的商业决策的执行。

生产公司和机械工程师在进行这些任务时不只需要追求效率，还要注重安全性（在谈论智慧工业时，这点经常被忽略），也就是不能危及安全运作、网路完整性和重要的机密资料。

以SCADA作为切入点

SCADA层（第2层）是一个对於工程师、生产规划人员和机械工程师的好切入点，所有相关的生产资料都会进到这里，并且在这里以缩减的形式被分析。使用边缘装置是一个连接外部网路，并且取得更多计算能力得简单方法。藉着将边缘装置加到SCADA层，公司可以专注於他们在少数几个地点或甚至单一地点运作的MES和ERP，在这时就很容易地可以让机械工程师从制造和PLC层存取资料，而非取得商业和企业资料。

使用VPNs是一种可以为大范围分布的工厂建立安全连接的方法；然而VPNs的设置和维护带有一些挑战，即使仅是单一台机器的连结和资料交换，有时也会令人感到受挫并影响操作。

使用以云端为基础的解决方案是一种替代方式，它提供安全的资料传输（比起VPN）的优点，并且降低网路连线维护具备的劣势。TLS （Transport Layer Security）是一种常见的安全机制。这项协定经常被使用在以云端为基础的资料通讯。

传统上，这样的解决方案会在用户/伺服器端运作。当工程师希??与位在远处的PLC通讯，该PLC提供资料作为伺服器，而使用者的机器则被认定为用户端的角色，建立直接的连线到PLC。该连线可以轻松地透过TLS来确保安全性，不过对於这样的通讯，连接埠必须在防火墙开启。大部分的IT管理人员会拒绝这项要求，导致该专案就这样被舍弃，让资料传输与分析的机会无法被妥善利用。

以ThingSpeak为支援TLS v1.2安全发布者/订阅者平台

ThingSpeak运用一个发布者/订阅者模型来克服这些限制，并且提供使用者多项额外的好处（图2）。ThingSpeak伺服器本身可以被架设在一个安全的网路，且可以接收静态IP位址。

接着，它发挥讯息中介者的作用，让所有可供存取的资料只透过一个向外的连结发送。每一个订阅者也可以透过向外的连接来发送要求，并且接收作为TCP回应的资料。这和网路浏览器的运作方式非常相似，也因此对IT管理者来说并不陌生。

图2 : 连接ThingSpeak伺服器与自动化金字塔

这种方式具有几项优点。第一，所有和此通讯相关的当事者只需要知道讯息中介者的IP位址。叁与者的IP资讯必须只能为了与ThingSpeak伺服器的单独连接而揭露。新的发布者和订阅者可以很容易地被加进来。这使得应用更具弹性和可扩展性。由於每一个连到ThingSpeak伺服器的连接都必须是向外的连接，这个解决方案不会产生任何额外的防火墙要求。它也因此可以很容易、安全地整合到现有的IT设备。

通道配置、资料串流与整合的MATLAB

ThingSpeak通讯的基础通道即使是新使用者也可以轻松建置，并且几分钟之内就可以使用。通道拥有读取和编写API的金钥，而且可以被设置为公开或私人，预设则是设定为私人。每一个通道包含8个栏位来存取8笔资料流，例如感测器读数、电气讯号或温度。每一个通道最多可以以每秒一次的频率来更新。通道的每一个栏位都有一个标准的视觉化呈现，随着资料抵达自动地更新，并且包含可以轻松被嵌入到其他应用程式的iFrame程式码。

为了要收集这些通道的资料，ThingSpeak提供REST或MQTT APIs、Arduino和Particle装置适用的ThingSpeak Communication Library、Arduino和Raspberry硬体支援套件的ThingSpeak Write-blocks、以及其他常用的协定。REST API具有平台的针对性，MQTT API则是通用的（图3）。对於MQTT唯一的要求是使用者必须指定正确的使用者资料格式。这让在许多应用或装置的使用变得简单。

图3 : 透过MQTT协定进行资料撷取

当通道资料抵达ThingSpeak，资料可以被储存在云端或立即进行处理和视觉化。如果使用者是以MathWorks或ThingSpeak的帐号登入，ThingSpeak提供执行MATLAB程式码的功能，不需要额外的license。有超过十几个MATLAB工具箱提供统计、分析、讯号处理、机器学习等函式。针对MATLAB程式脚本，可以安排在特定的时间区间执行，让计算、视觉化可以在固定时间更新。

只要将MATLAB程式码复制及贴上，这些程式脚本就可以被整合至ThingSpeak。为了让使用和测试更容易，程式码可以在任何有MATLAB授权的桌上电脑或笔记型个人电脑上编写。这使得ThingSpeak成为MATLAB桌上电脑自然的云端扩充。使用者也可以配置Email或Twitter讯息，并在机器出现故障事件、叁数??值超限或其他特定事件时传送给他们，让使用者在厂区或远端都有办法快速回应。

（本文由??思科技提供，作者Fabian Bause为Beckhoff Automation TwinCAT产品经理、Rainer Mummler为MathWorks高级应用工程师）