導入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不必瞎子摸象 智能工廠連網(wǎng)有一套

作者：呂百舟 來源：2cm

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）仰賴裝置、傳感器和營運控制軟件(MES)之間全面性的連接。導入該架構的三項必要考慮點、四項建設流程，將設備運算連網(wǎng)和通訊協(xié)議轉換概念納入，以成就高效率的工廠營運、裝置連網(wǎng)和工廠智能化為目標。

工業(yè)4.0或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，對很多生產制造的企業(yè)，是既期待又怕受傷害的概念及決策。隨著工廠邁向智慧自動化，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對于工廠的生產質量、資產效益、網(wǎng)絡安全性和成本有極大的競爭優(yōu)勢提升。

工業(yè)4.0及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念皆是將企業(yè)運作系統(tǒng)、裝置和用戶一并聯(lián)機至互聯(lián)網(wǎng)，以提升運作效率及營運效益，導入創(chuàng)新以成就競爭優(yōu)勢。

鏈接/數(shù)據(jù)處理/網(wǎng)絡安全 三大考慮不可少

過去20年至今，IT結合自動化處理在能源、大眾運輸、城市基礎設施和制造方面的問題，而工廠早已開始探索工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。接下來將一一列述布建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的三項必要考慮點、四項建設流程，將設備運算連網(wǎng)和通訊協(xié)議轉換概念納入，以成就高效率的工廠營運、裝置連網(wǎng)和工廠智能化為目標。

物聯(lián)網(wǎng)連結

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仰賴裝置、傳感器和營運控制軟件(Manufacturing Execution Software, MES)全面性的連接。對于Fieldbus、工廠層級網(wǎng)絡、控制層和各類工業(yè)營運應用，在過去是明確界定廠務管理及IT系統(tǒng)各司其職，卻不適合整體營運優(yōu)化及擴張。例如：如果有好幾臺計算機數(shù)值控制工具機(CNC)須連接至公司全球中控中心網(wǎng)絡，將導致功能受限、復雜度增加且成本提高。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建構時，為達到連結流暢度，必須了解裝置、通訊協(xié)議、實體接口，以及工廠和相關工作站間的連結方式。

將數(shù)據(jù)轉為有效信息

現(xiàn)代的工業(yè)制造設備會產生大量的數(shù)據(jù)。設備連結增加，位移傳感器也彼此自行連網(wǎng)，突破PLC障礙。專研企業(yè)大數(shù)據(jù)的公司試圖利用數(shù)據(jù)群集分析，將B2C范疇的數(shù)據(jù)分析方式運用于工業(yè)自動化，但是由于連網(wǎng)不夠完整、設施復雜及數(shù)據(jù)龐雜性，至今成效有限。透過工業(yè)網(wǎng)絡帶寬增加，配合可調控智能計算機的運用，工廠才能實時匯整所需數(shù)據(jù)進行擴張。

隨著營運數(shù)據(jù)的累積，硬件也須有對應的擴充性，讓管理者能很快透過實時分析來補足工廠與局域網(wǎng)絡間的信息斷層，達到顯著的效益。根據(jù)麥肯錫國際(McKinsey)的研究指出，透過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集并優(yōu)化，產量可以提升3.7%(相當于每年約2,000萬美元)。

由于工業(yè)級網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量相當龐大，數(shù)據(jù)傳輸和儲存并不容易。但透過嵌入式計算機和工業(yè)無線網(wǎng)絡，可降低成本，并能夠提供串流信息的有效處理及儲存，不同于以往，當異常發(fā)生時，中控室便會立即收到訊息。這些網(wǎng)絡信息能夠提供預防性處理參考，延長產品壽命，并發(fā)現(xiàn)潛在問題，提升投資效益，可協(xié)助營運轉虧為盈，提高營業(yè)利益。

網(wǎng)絡安全

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是讓分析在局域網(wǎng)絡層級進行，目的是讓機器及傳感器可在局域網(wǎng)絡內分享數(shù)據(jù)并分析，先行達到優(yōu)化。局域網(wǎng)絡(LAN)的智能化可降低中心運算及帶寬需求，并可降低對整體網(wǎng)絡安全造成的風險。換句話說，可將以往大規(guī)模的企業(yè)網(wǎng)絡，轉化成區(qū)域性子網(wǎng)系統(tǒng)。當在建構網(wǎng)絡時，應考慮其備援機制、防火墻策略性設置，網(wǎng)絡故障或遭入侵的可能性。在設計智能型工廠解決方案時，應注意和考慮網(wǎng)絡聯(lián)機的效能、可靠性及安全防護。

評估/擬定/盤點/導入 四大流程面面俱到

規(guī)劃建置前，首要為明確設定目標，擬定目標時，容易傾向遵循過往方式而忽略異于傳統(tǒng)的解決方案。將營運目標傳達給供貨商或系統(tǒng)整合商，在一開始網(wǎng)絡結構及鏈接度等技術討論與考慮，才能有穩(wěn)固的基礎架礎。

接著列出營運問題癥結點，并簡明扼要闡述目標，針對各問題逐一確認解決方式及流程。以下為建議的智能工廠設計流程。

評估分析營運困難點

營運問題可能是環(huán)境和技術因素，或企業(yè)內部流程改善需求。解決問題可具體如改變舊式網(wǎng)絡聯(lián)機升級為以太網(wǎng)絡，或廣泛設定將未來五年公司制造成本降低10%。

依據(jù)營運問題的不同，皆有不同解決方案。例如：機械建造公司已經(jīng)使用多年計算機整合制造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)系統(tǒng)。由于公司并購，既有系統(tǒng)需導入新的操作系統(tǒng)(MES)并改變制程控制標準流程。CIM系統(tǒng)架構因為不符合整合要求，以至效能不彰。

淘汰CIM操作系統(tǒng)并不是解決問題的唯一方式，整體設備的效率必須要提升，還必須可以跟全公司的運作系統(tǒng)互通。例如采用智能型I/O進行狀態(tài)監(jiān)視，協(xié)助優(yōu)化既有的CIM并連網(wǎng)至MES，可提高設備效率，達成制程一致性。

擬定營運目標

以問題癥結點為核心，擬定營運目標并以重要性設定優(yōu)先級，可辨別任務關鍵性及其效益。公司、整合商和供貨商可選擇最適當?shù)闹悄苄蛷S區(qū)解決方案，確保項目完成時達成營運目標，同時考慮長期營運和成本維護，預先設定未來擴充或縮減需求(圖1)。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃工作表范例格式

例如：飲料公司的廠區(qū)管理者面臨對生產線的掌握及控制不足，決定今年目標除了降低人事成本外，并將既有裝瓶生產線連接到新的MES系統(tǒng)，以加強管理層的控制和掌握度。計劃是，先將廠區(qū)MES儀表板中生產線1至8的傳感器設定達成最大的實時顯示度，從中稽核傳感器和通訊協(xié)議，了解其適合的解決方案，以將各種傳感器和致動器連接到SCADA系統(tǒng)，再進一步連結至MES。因此，協(xié)同經(jīng)銷商、系統(tǒng)整合商與系統(tǒng)供貨商進行網(wǎng)絡稽核為必要事項。

了解主要流程互通狀況

智能型廠區(qū)的連網(wǎng)挑戰(zhàn)是通訊協(xié)議劃分，端視特定作業(yè)而定，可能會連接互不兼容或專屬Fieldbus自動化通訊協(xié)議。須確認內部資源、歷史記錄、產品裝置、端節(jié)點和設備，而后記錄其對應的通訊協(xié)議、實體接口、廠區(qū)地點和作業(yè)用途，才能了解各自的通訊協(xié)議。同時讓供貨商或系統(tǒng)整合商了解技術、裝置或設備相關的任何限制及需求。

借助實施網(wǎng)絡稽核，確認營運困難點和目標并與相關單位溝通，即可部署連網(wǎng)計劃。運用連網(wǎng)和網(wǎng)絡自動化解決方案的專業(yè)知識實現(xiàn)營運目標概念，并以訂制解決方案符合稽核表要點(圖2)。

圖2 工業(yè)設備連網(wǎng)自動化稽核格式范例

例如：現(xiàn)今的MES能夠支持全廠區(qū)連網(wǎng)，但無法進行大規(guī)模的系統(tǒng)診斷和生產分析。因此廠區(qū)營運經(jīng)理必須整合既有I/O設備，以更有效落實接口設備智能化。透過位移傳感器與系統(tǒng)的整合至廠區(qū)既有的SCADA系統(tǒng)內，以及接口設備計算，可讓系統(tǒng)達到實時分析并優(yōu)化生產線。而帶寬和局域網(wǎng)絡效能的提升，得以支持龐大的數(shù)據(jù)量從傳感器傳輸至MES。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定及安全性，區(qū)域子系統(tǒng)網(wǎng)絡和防火墻區(qū)塊設計必須納入解決方案中。為了達到此效益，營運經(jīng)理必須掌握所有資源、傳感器、裝置，對應其通訊協(xié)議及實體接口，依據(jù)工作流程分類載記，將所有細節(jié)納入連網(wǎng)解決方案。

衡量效益選用適切連網(wǎng)方案

投資成效的驗證并不容易，尤其當所要改變的專業(yè)領域為僅占整體營運中特定的制造作業(yè)流程。透過明確的營運成本及資金效益預估，才能顯現(xiàn)智能型連網(wǎng)廠區(qū)投資的隱藏成本和效益。經(jīng)由審慎的資金預估，結合初期投資報酬率，可有效量化營運效益。

例如：中等規(guī)模半導體營運的廠區(qū)經(jīng)理經(jīng)過長期謹慎確認既有流程裝置，將裝置名稱、位置、通訊協(xié)議、實體接口和廠區(qū)地點輸入網(wǎng)絡稽核工作表。并且提供內部初步繪圖與計劃，以問題癥結點擬定營運目標，廠區(qū)經(jīng)理得以有多種連網(wǎng)解決選擇方案。為達到投資效益(ROI)優(yōu)化，廠區(qū)經(jīng)理須將停機時間、人事成本、總擁有成本均納入考慮。

在不影響企業(yè)正常營運程序的前提下，也可將自定義的廠區(qū)自動化部門工具模塊、投資回收計算工具提供給客戶以確保在與內部相關人員提出投資溝通即進行決定時，不遺漏任何技術或成本考慮。投資回收計算工具可用于：

?計算停機時間的成本

?預估導入IIoT投資后每年節(jié)省的成本

?計算IIoT投資的投資回收期間

智能工廠最終目的是以智能型的模式提升生產效能，將營利優(yōu)化：為了將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)效益最大化，許多互不相通的技術和產業(yè)必須能彼此相互配合協(xié)作。Moxa是領先業(yè)界的工業(yè)連網(wǎng)與自動化公司，為許多垂直應用市場提供連網(wǎng)解決方案。Moxa提供3000多種產品、并已經(jīng)連接4000多萬組裝置，而且見證將過去獨立運作的工業(yè)串行網(wǎng)絡連接到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之后，掌握數(shù)據(jù)的明智優(yōu)勢而對現(xiàn)場或廠區(qū)調降虧損底線并提高獲利的效益。