本文敘述一個用在自動化環境進行資料交換和處理的模型，能夠作為智慧工業和物聯網的安全的資料交換平台，將大量資料轉換成有價值的資訊，並加以控制、監測與優化應用。

當機台、裝置與設備變得更為智慧、連結性更高，每日產生的資料量也跟著增加。機器與智慧模組所形成的物聯網（IoT）是構成工業4.0或智慧工業的基礎。智慧工業的潛力在於將這些大量的資料轉化為有價值的資訊，以及商業和競爭優勢。該期望只有在資料被有效減量、分析，並且及時、安全地在涉及的各方移轉、溝通時才能實現。

為了能夠將資料使用於加值服務，MathWorks公司的ThingSpeak提供一個安全的資料交換平台，其中彙集了MATLAB和其他工具箱所具備的強大資料處理、分析、與視覺化能力。以PC為基礎的控制，還藉著資訊科技（information technology；IT和營運科技（operational technologies；OT）的結合產生額外的好處，由於採用了標準的IT概念，可以很容易地整合網路連結以及與其他IT系統。

智慧工業和自動化金字塔

智慧工業將改變我們熟知的模式，例如已經有大約四分之一世紀的歷史的自動化金字塔圖形。作為工廠中的一個自動化模型，這個自動化金字塔可以以幾種不同的方式來理解。除此之外，它也可以被視為一個用在自動化環境進行資料交換和處理的模型。本文接下來將對此進行討論。

自動化金字塔由五個層級組成，被稱為0至4層。本質相近的功能，像是現場總線（fieldbuses）、PLCs、SCADA控制系統、製造執行系統（MES）和企業資源規劃（ERP）每一項都被單獨地分配到一個特定的層級（圖1）。

圖1 : 自動化金字塔

這個金字塔可以具體分為兩個部分。下半部包含位於第0層的感測器、致動器、驅動器、馬達和工具的生產過程，它們負責實際的運作，而位於第1層的PLCs則負責流程的控制；上半部為企業管理層級，由SCADA（第2層）、MES（第3層）、和ERP系統（第4層）組成。

生產或M2M層

金字塔的形狀不僅代表階層結構，也反映資料在金字塔內水平或垂直的移動，大部分的資料是這樣產生的。第0層的元件在機器不同部位和控制層之間提供具體的即時垂直通訊，其取樣頻率的範圍可高達幾kHz，因此現場總線必須傳輸這些大量的資料流，在此較常使用EtherCAT、Profinet和Ethernet/IP作為匯流排。

在第1層的PLCs，確保規劃的流程在正確時間以正確步驟在要求的容許限制範圍內執行。從水平來看，PLCs可以與其他PLCs透過EtherCAT Automation Protocol （EAP） 或UDP即時地通訊（例如動作資料的同步），或者透過OPC UA、ADS、TCP/IP和其他協定進行非即時的通訊。到目前，自動化主要發生在較低的兩個層級。

公司層：B2M

企業到機台的通訊（Business-to-machine communication；B2M）負責啟動上述的生產層。該通訊通常不會以即時運作，因為它基本上是依靠開關、路由器、防火牆、和其他有可能造成延遲的設施或裝置。傳統上，金字塔上層的決策會比較緩慢，而且會需要依據不斷增加的濃縮資料。

然而，一個現今的智慧工業趨勢是MES，或甚至是ERP層到PLCs的直接連接。不同於前面對於金字塔的詮釋，這些較上方的層級不僅直接從下方層級捕捉在該處被減量和分析資料，還可以將處方資料直接傳送到PLCs並且接收回傳的狀態報告，這促成了智慧產業所需的彈性和回應時間。這樣的流程可以透過像是遠端程序呼叫（Remote Procedure Calls；RPCs）和Beckhoff Automation的TwinCAT 3 SOA-PLC（用於服務導向架構的PLC）來實現。

B2M層的自動化

未來的生產和維護環境必須納入的設備愈來愈多，這些設備分布於不同的地點或甚至遍及世界各地。在未來，機械工程師會希望能夠比較並評估在世界各地運行的設備，並且依據遠距的功能性提供維護合約。

在第2層和第3層設置自動化流程，並且連結遠端設備可以組成未來的自動化：這些物件有望減少支出，促成更全面的資料分析，簡化並加速命令和跨越全球組織的商業決策的執行。

生產公司和機械工程師在進行這些任務時不只需要追求效率，還要注重安全性（在談論智慧工業時，這點經常被忽略），也就是不能危及安全運作、網路完整性和重要的機密資料。

以SCADA作為切入點

SCADA層（第2層）是一個對於工程師、生產規劃人員和機械工程師的好切入點，所有相關的生產資料都會進到這裡，並且在這裡以縮減的形式被分析。使用邊緣裝置是一個連接外部網路，並且取得更多計算能力得簡單方法。藉著將邊緣裝置加到SCADA層，公司可以專注於他們在少數幾個地點或甚至單一地點運作的MES和ERP，在這時就很容易地可以讓機械工程師從製造和PLC層存取資料，而非取得商業和企業資料。

使用VPNs是一種可以為大範圍分布的工廠建立安全連接的方法；然而VPNs的設置和維護帶有一些挑戰，即使僅是單一台機器的連結和資料交換，有時也會令人感到受挫並影響操作。

使用以雲端為基礎的解決方案是一種替代方式，它提供安全的資料傳輸（比起VPN）的優點，並且降低網路連線維護具備的劣勢。TLS （Transport Layer Security）是一種常見的安全機制。這項協定經常被使用在以雲端為基礎的資料通訊。

傳統上，這樣的解決方案會在用戶/伺服器端運作。當工程師希望與位在遠處的PLC通訊，該PLC提供資料作為伺服器，而使用者的機器則被認定為用戶端的角色，建立直接的連線到PLC。該連線可以輕鬆地透過TLS來確保安全性，不過對於這樣的通訊，連接埠必須在防火牆開啟。大部分的IT管理人員會拒絕這項要求，導致該專案就這樣被捨棄，讓資料傳輸與分析的機會無法被妥善利用。

以ThingSpeak為支援TLS v1.2安全發布者/訂閱者平台

ThingSpeak運用一個發布者/訂閱者模型來克服這些限制，並且提供使用者多項額外的好處（圖2）。ThingSpeak伺服器本身可以被架設在一個安全的網路，且可以接收靜態IP位址。

接著，它發揮訊息中介者的作用，讓所有可供存取的資料只透過一個向外的連結發送。每一個訂閱者也可以透過向外的連接來發送要求，並且接收作為TCP回應的資料。這和網路瀏覽器的運作方式非常相似，也因此對IT管理者來說並不陌生。

圖2 : 連接ThingSpeak伺服器與自動化金字塔

這種方式具有幾項優點。第一，所有和此通訊相關的當事者只需要知道訊息中介者的IP位址。參與者的IP資訊必須只能為了與ThingSpeak伺服器的單獨連接而揭露。新的發布者和訂閱者可以很容易地被加進來。這使得應用更具彈性和可擴展性。由於每一個連到ThingSpeak伺服器的連接都必須是向外的連接，這個解決方案不會產生任何額外的防火牆要求。它也因此可以很容易、安全地整合到現有的IT設備。

通道配置、資料串流與整合的MATLAB

ThingSpeak通訊的基礎通道即使是新使用者也可以輕鬆建置，並且幾分鐘之內就可以使用。通道擁有讀取和編寫API的金鑰，而且可以被設置為公開或私人，預設則是設定為私人。每一個通道包含8個欄位來存取8筆資料流，例如感測器讀數、電氣訊號或溫度。每一個通道最多可以以每秒一次的頻率來更新。通道的每一個欄位都有一個標準的視覺化呈現，隨著資料抵達自動地更新，並且包含可以輕鬆被嵌入到其他應用程式的iFrame程式碼。

為了要收集這些通道的資料，ThingSpeak提供REST或MQTT APIs、Arduino和Particle裝置適用的ThingSpeak Communication Library、Arduino和Raspberry硬體支援套件的ThingSpeak Write-blocks、以及其他常用的協定。REST API具有平台的針對性，MQTT API則是通用的（圖3）。對於MQTT唯一的要求是使用者必須指定正確的使用者資料格式。這讓在許多應用或裝置的使用變得簡單。

圖3 : 透過MQTT協定進行資料擷取

當通道資料抵達ThingSpeak，資料可以被儲存在雲端或立即進行處理和視覺化。如果使用者是以MathWorks或ThingSpeak的帳號登入，ThingSpeak提供執行MATLAB程式碼的功能，不需要額外的license。有超過十幾個MATLAB工具箱提供統計、分析、訊號處理、機器學習等函式。針對MATLAB程式腳本，可以安排在特定的時間區間執行，讓計算、視覺化可以在固定時間更新。

只要將MATLAB程式碼複製及貼上，這些程式腳本就可以被整合至ThingSpeak。為了讓使用和測試更容易，程式碼可以在任何有MATLAB授權的桌上電腦或筆記型個人電腦上編寫。這使得ThingSpeak成為MATLAB桌上電腦自然的雲端擴充。使用者也可以配置Email或Twitter訊息，並在機器出現故障事件、參數閾值超限或其他特定事件時傳送給他們，讓使用者在廠區或遠端都有辦法快速回應。

（本文由鈦思科技提供，作者Fabian Bause為Beckhoff Automation TwinCAT產品經理、Rainer Mummler為MathWorks高級應用工程師）