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工控網路升級助轉型  TSN加速智慧工廠願景
新通訊 20178 月號 198 期《 趨勢眺望 》
文.盧佳柔
現代工廠發展趨勢,朝向自動化、無人化生產為目標前進,使工業應用對於高速網路與資料即時處理、分析的要求逐日攀升;透過TSN的技術加持,模糊IT與OT的界限,使所有設備都將能互相聯網溝通,讓生產流程更加靈活。
近幾年,工業4.0與工廠無人化的議題堪稱當紅炸子雞,但製造業要真正全面落實「智慧工廠」卻非一蹴可幾,在階段性的轉型過程中,以設備聯網來自動收集生產線的數據資料則是實踐目標的第一步。 

跳脫傳統工廠框架  「打散」概念萌芽 

過去傳統工廠透過可程式邏輯控制器(PLC)執行許多量測與控制,PLC整合不同的I/O介面,再將所收集的資料,傳送到資料記錄系統,最後將資料提供給製造管理系統至終端ERP系統(圖1)。 

圖1 傳統工廠與智慧工廠網路架構比較

資料來源:國家儀器

相較之下,星協系統科技專案經理吳志二(圖2)認為,所謂的工業4.0或智慧工廠,就是以「打散」的概念,使不同的節點皆代表一個智慧的象徵,而這些不同的節點將會組合成為一個神經網路,在網路間能彼此互動,而非傳統網路結構一層層逐步上傳。換言之,每個節點都必須植入一些人工智慧(AI)或演算法功能,讓節點能夠具備思考能力。 

吳志二表示,在系統整合廠商角度來看,系統整合不僅是單純聚焦在製造,還包括測試、工廠整體管理、資料收集與採集等工作,如智慧輸送帶就是典型的應用範例。 

圖2 星協系統科技專案經理吳志二表示,智慧工廠就是將不同節點塑造成有意識的個體,能彼此間互相溝通,且具備思考能力。
傳統輸送帶設計概念為專用型設計,只為單一產品量身打造的應用;而智慧型輸送帶則可符合多樣型應用,滿足重複使用性的特色,不過,這種作業方式的複雜度也相對提高。例如輸送的過程需要影像識別功能辨識不同物體,物體取、放的方式也不盡相同,主要透過多線程的方式,同時排定多項工作,提升效率。換言之,智慧輸送帶的運用是將每條輸送帶看成是一個單元,就像是樂高積木一樣,可重複使用、重新拼裝重組。 

綜合上述所言,智慧輸送帶的控制核心就像是頭腦在做決策,底下必須要有不同的節點彼此溝通;因此,傳統工業製造不僅是應用模式的轉型,連商業模式也有所調整,過去的成本計算方式是依照不同產品建立不同的產線設計,而現在則是以提供服務為導向,可重複使用既有的元件與應用,並套用在不同但可共同使用的專案上,拉長成本攤提的時間。 

分散式資料擷取系統助陣  TSN精準掌控工業應用 

在這樣的模式底下,智慧輸送帶每個節點都像是人一樣,彼此之間互相聯繫。基於此,IEEE定義的時效性網路(TSN)支持即時與可信賴的網路就扮演重要角色;透過TSN可讓所有節點建構在既有網路的架構進行同步,且無須另外布線。TSN代表了乙太網路演進的下一步,適用於普遍存在的乙太網與支援TSN的乙太網技術。 

以船舶應用為例,透過國家儀器(NI)具備TSN技術的CompactRIO進入船上系統的一個節點,即可偵測船上的所有狀態,例如油耗、溫度,若有異常即可提醒船員或預告船員。 

作為工業原始設備製造商(OEM)設計的工業4.0解決方案,必須整合IT(Information Technology)與OT(Operation Technology)架構。然而,OT網路要求保證精確時間發送封包,跟傳統IT網路的需求不同。同時,在OT領域中,通常頻寬速度限制在10∼100Mbit/s,不足以支援應用於工業市場的新技術,如高解析度影像的應用。透過TSN標準,可整合IT與OT網路環境,實現Gigabit的頻寬、簡化網路部署與管理效能,協助達成新工業應用技術。 

圖3 國家儀器行銷工程師吳維翰認為,TSN主要的功用除了整合不同的工業乙太網協定外,還提供無痛升級的網路架構。
國家儀器行銷工程師吳維翰(圖3)強調,TSN的目標不僅是提供OT與IT整合的技術,該技術的價值所在,是可以與工廠內既有的網路架構相容,使目前存在的現有技術能容易被採納與升級,雖然在工廠升級的過程中,難免會有一些元件或設備需要汰換,但過程中可以以更無痛的方式獲得提升。 

TSN與其他技術最大的差異,在於該技術借用原有網路架構成分更高一些,使廠商可基礎於原來既有的網路,進一步提升聯網效能,增加系統廠商投入意願。 

隨著量測系統走出控制室,並更為貼近待測物,實體系統測試的概念也面臨著迅速變化。雖然感測器接線的安裝時間與所需成本已逐漸下降,量測準確度也見改善,但同步化與系統管理等挑戰卻也接踵而來;尤其在運用現今工業網路技術時,這些問題更是顯而易見。 

為解決現況,NI正積極協助定義最新一代的IEEE 802.1乙太網路標準TSN,繼2016年推出具備TSN能力的CompactRIO之後,近期更加碼發布兩款多槽式乙太網路機箱—CompactDAQ,其能提供分散式時序同步、低延遲時間,同時能容納時效性與一般性的網路流量。 

吳維翰談到,CompactRIO與CompactDAQ差異在於,前者上面有處理器,可以與其他子系統同步;反過來說,後者較處於附屬儀器角色,前端需要有電腦負責發號司令。因此,未來的發展可能由CompactRIO主導,串連TSN CompactDAQ。 

整體而言,吳維翰表示,普通的個人電腦也可做為主導CompactDAQ的工具,控制並執行所需要的工作,不過,這樣的使用方式,很難讓子系統時間與主機完全達到同步;若是採用CompactRIO做為主控裝置,即可滿足子系統和主機完全同步的作用,或甚至會有一些視覺、馬達系統都可以透過星狀拓撲合作。使用者可依不同的應用需求,選擇適用的解決方案,實現智慧工廠的願景。 

在不久的未來,台灣產業將面臨轉型、被淘汰的階段。吳維翰談到,前兩年的時間,台灣產業升級到工業4.0的概念還是相當模糊,不過,這些概念都開始明朗起來,無論是媒體報導、產業或商業的應用,都開始逐漸具體化,並導入客製化生產概念,而此趨勢也將會愈來越普及。 

圖4 圖左為泓格副總經理鄭樹發;圖右為泓格總經理陳瑞煜。
工業自動化不落人後 泓格深耕台灣市場

泓格總經理陳瑞煜(圖4右)談到,預計台灣在智慧工業領域還會持續成長,相較於去年,該公司整體在台灣的營收從28%大幅成長至41%,占比大幅提升。主要有兩大原因,其一、該公司在工業自動化領域主要提供節能方案,因為節能是每家工廠所不可或缺的重要課題,因此擴展能源方案到各種不同產業門檻較低,即便是傳統產業都紛紛朝智慧工廠的方向前進;其次、近年來產業對工業4.0的意識提升,許多中小型企業加碼投資智慧工廠升級,加快推動工業自動化的發展。 

泓格副總經理鄭樹發補充,台灣很多中小企業術業有專攻,在特定領域具備堅強的實力,小到做螺絲的工廠,或製造鑰匙工廠的傳統產業,皆有設備聯網的需求,與生產管制的問題。 

對於客製化概念的生產模式,陳瑞煜表示,工業應用面對價格競爭,近期合作的大型訂單,大多要求客製化的規格保障既有項目的競爭力,看準此趨勢發展,該公司也已開始著手布局OEM/ODM產品線,協助廠商做出差異化產品。 

鄭樹發談到,泓格所提供的客製化方案針對小量製造的特殊應用,例如,目前該公司最大合作案應為漁業署,屬於長期供應貨源的大型訂單。 

除了深耕台灣市場之外,隨著政府新南向政策的腳步,陳瑞煜認為,泰國、越南及印度等市場,將是該公司未來成長的重點之一,主要聚焦在太陽能發電、農業、鞋業、軌道交通和海岸海嘯監控等領域。

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