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工业通讯扮演系统整合桥梁 打造最适化智慧制造环境
 

【作者: 王明德】2020年02月24日 星期一

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工业史上过去的三次革命,虽然都是透过新技术的引进提升生产效能,不过这些新改变都仍固封於OT系统内,并未与OT以外的系统有所连结、整合,1990年代,IT技术开始蓬勃发展,各类产品与应用快速浮现,2011年德国喊出的工业4.0,核心概念就是整合IT与OT两大系统,最大化OT系统的数据价值,而在IT与OT的整合中,工业通讯扮演了数据与资讯传递的重要角色。


工业乙太网路技术成熟

OT与IT的整合概念是从2011年的工业4.0启动,但在这之前,工业市场就已有大量的工业乙太网路产品。就架构来看,过去的自动化制造系统只分为现场层与控制层,而现场总线就做为这两层之间的讯息传递桥梁,然而若就效率面来看,只有现场层(Field Level)与控制层(Control Level)的自动化架构,其效率已达饱和,要提升附加价值,必须再扩大系统层次。



图1 : 在自动化领域,工业乙太网路技术与相关产品早已成熟,智慧制造趋势出现後,此技术更受业界的重视。(source:Design World)
图1 : 在自动化领域,工业乙太网路技术与相关产品早已成熟,智慧制造趋势出现後,此技术更受业界的重视。(source:Design World)

在此概念下,长期以来在消费端的IT技术被沿用到工业领域,整体架构也多了作业层(Operation level)、管理层(Management level),其中作业层负责整合控制端设备,管理层则是企业使用已久的MES或ERP等e化软体,由於作业层、管理层采用IT架构,工业总线(Fieldbus)无法与之链接,必须采用乙太网路串联。


不过,自动化系统架构的扩展也让通讯标准成为问题,现场层、控制层使用现场总线,作业层、管理层使用乙太网路,要使这四层成为一体,也就是所谓的OT与IT整合,彼此之间的通讯必须能互连,在此状况下,就出现了专门生产各种桥接器的厂商,此类桥接器让现场总线得以与上层的乙太网路链结。


如果从供应商的角度来看,这也是因为工业领域中,各自动化大厂坚持各拥其现场总线规格的纷乱型式,造就了台湾工业通讯厂商的竞争优势。


要解决OT与IT系统的通讯问题,除了台湾厂商提出的各种桥接产品外,制定各种线场总线的厂商也纷纷提出解决方案,不过与台湾厂商不同的是,这些原厂的方案是不再使用现场总线,而将乙太网路直接贯穿到OT系统,也就是所谓的工业乙太网路,像是西门子的PROFINET、洛克威尔的EtherNet/IP、三菱的CC-Link IE…等。


乙太网路过去在工业控制的应用瓶颈主要来自於即时性不足,由於乙太网路的封包为随机碰撞,无法预期下次的碰撞时间,因此在传递时间上会有所延迟,为了改善此一问题,各厂商纷纷找出解决方式,例如PROFINET就是重新制定封包型态,并於频宽中切割出一条控制封包专用频带,让此封包不再采碰撞式传递,而达到自动控制系统的即时要求。


工业乙太网路解决了新世代制造系统不同层次之间的隔阂问题,除了减少以往需另购的桥接成本外,也透过单一通讯标准,让系统整合更为紧密,不过工业乙太网路架构会否取代现场总线,成为工业系统的唯一标准?未来变化难以预料,不过目前看来仍不可行。


现场总线仍是必要 化繁为简建构智慧产线

长期专注工业通讯的四零四科技工业物联网解决方案处市场亚太区事业处开发经理林昌翰也同意此一看法,他指出生产设备是制造业的生财器具,当初购入成本都非常高,因此不可能因为新概念兴起就整批重置换新。



图2 : 四零四科技工业物联网解决方案处市场亚太区事业处开发经理林昌翰指出,四零四的NPort,因应自动化市场的变化,规格与架构也与时俱进,不断推出新功能。(摄影/王明德)
图2 : 四零四科技工业物联网解决方案处市场亚太区事业处开发经理林昌翰指出,四零四的NPort,因应自动化市场的变化,规格与架构也与时俱进,不断推出新功能。(摄影/王明德)

一般做法是依需求逐步添购新设备,这也让新旧设备共用成为制造现场的常态,而产线中的仪表与部分设备,序列式标准仍是最稳定可靠的通讯技术,因此透过桥接方式将现场纷乱的序列式通讯标准,转化为统一的OT标准或乙太网路,仍是目前最方便可行的方式。


台湾西门子数位工业资深产品经理林瑞媛的看法也与林昌翰一致,她以PROFIBUS和PROFINET为例指出,即便PROFINET现在已成为市场占有率最高的工业乙太网路通讯标准,不过在制造现场,PROFINET仍难取代PROFIBUS,由此来看,现场总线与工业乙太网路在可见的未来仍会共存,不致於出现後者取代前者的状况。



图3 : 台湾西门子数位工业资深产品经理林瑞媛表示,西门子的自动化产品线完整,可协助业者建置出品质与期??相符的智慧化产品。(摄影/王明德)
图3 : 台湾西门子数位工业资深产品经理林瑞媛表示,西门子的自动化产品线完整,可协助业者建置出品质与期??相符的智慧化产品。(摄影/王明德)

因此,在旧设备仍是制造现场主流的状态下,克服既有产线中不同规格现场总线,是导入智慧制造的最大难题,对此,林瑞媛建议可将通讯总线分层归类,先简化後再重整,以利於整体系统的运作与维护。


至於在产品与架构选择方面,林昌翰与林瑞媛都指出,工业通讯发展多年,技术都已经到位,因此制造商不必担心产品是否成熟可用,只需考量本身需求,选择合适架构即可。


聚焦工业通讯 四零四产品弹性与效益十足

就目前市场选择来看,工业通讯产品的供应商分为两类,一类是专注於工业通讯产品的厂商,四零四科技则是此一领域的翘楚,这类型厂商的产品策略是针对不同现场总线规格与工业乙太网路,推出各种通讯设备,协助厂商构建出整体现代工业通讯网路架构。


由於工业系统诉求稳定,所使用的产品都必须通过长期的市场检验,因此这类型厂商的解决方案都已经过市场验证,林昌翰以四零四科技的NPort为例,这系列产品在十几年前就已推出,因应自动化市场的变化,此款产品也不断与时俱进,不断推出新功能。


整体而言,这种聚焦於工业通讯的厂商,其产品特色是稳定、灵活、效能等特色兼具,可以因应厂商的不同需求,组建出合身的通讯架构。至於与外部厂商的合作,工业通讯业者的脚步也都相当积极,像是四零四科技就可与微软的Azure公有云链接,协助资源有限制造业建构起完整的工业物联网系统。


除了云端平台这类的基础架构外,在IT端四零四科技与国内系统整合大厂精诚资讯是联盟夥伴,林昌翰表示,精诚资讯以IT技术见长,四零四科技则以OT为主,双方合作可以发挥更大的战力。


完整产品布局 西门子让产线效益不打折扣

第二类工业通讯产品供应商是西门子、洛克威尔、三菱这种全球等级的自动化大厂,这类型大厂的产品线完整且规格统一,可以协助制造业者如期如质的完成系统建置。


相较於第一类厂商,自动化大厂的工业通讯设备单价较高,因此规模不大的制造业者过去选择此类产品的意愿并不高,不过林瑞媛指出,制造业成本不能只看单一设备的价位,必须从整条产线甚至是企业布局的角度评估,在智慧制造时代更是如此。她进一步表示,制造系统的成本不仅止於设备购入价格,还要包括设备导入时的效益调整、导入後的维修、企业成长後的产线扩建等,如果纳入这些未来将会产生的成本,大厂的产品投资效益反而更高。


林瑞媛以多厂牌产品系统整合和使用单一大厂产品相比较,多厂牌产品必须耗费大量时间与人力资源整合,在整合过程中,不同厂牌的设备也有可能因为必须彼此迁就调整,导致效能打折。另外,由多方设备整合的系统都属於客制化架构,当制造业有扩厂需求时,原有的系统架构也不容易复制。以上这些都是制造业者在选择系统架构时必须考量的重点。


调整心态与做法 完善规划智慧转型策略

除了架构选择之外,导入前的规划更是决定系统成败的关键,智慧制造系统的通讯架构庞杂,导入时的各项细节都要注意,不过要顺利介接IT与OT系统,让效益可以如预期浮现,导入前的规划更是重点,这方面的规划包括整个领导阶层与执行人员的心态调整、企业组织变革、外部资源整合与不同期程的目标规划等。


因应智慧化趋势,制造业的转型布局越来越积极,只是智慧制造的概念与之前制造系统不同,许多制造业者的作法与心态未能与时俱进,导致系统的建置困难且时程拉长,因此导入前第一步是领导者必须调整心态。智慧化是制造业永续发展的必要策略,同时牵动企业内部IT与OT两大区块系统,领导阶层不能只是当作公司内部新设备的导入,必须视为企业整体营运目标,擘划出不同期程的建置目标与步骤,并将这些规划在公司内透明化,让所有人员知道每一步骤与背後的意义,内部员工的抗拒心态就能有效降低;此外以大面向策略推动,也有利於转型脚步调整与效益浮现期的掌握。


成立跨部门组织 领导者需调整思维与做法

除了完整的规划外,领导者的另一个必要动作是亲身叁与,不同於过往新设备、新系统导入时,都由IT或OT等特定部门负责,智慧制造所涉及的部门不仅是资讯与制造,业务甚至财会等部门都与之有关,要沟通不同部门的利益需求与职责,就必须由领导阶层出面,成立专责转型的跨部门平台,在此平台中厘清各部门的痛点与需求,并彼此协调找出可行的解决方式,如此才能建构出合於企业需求的智慧化平台,让系统效益如预期浮现。


**刊头图(source:Blumenbecker)


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