工業物聯網仰賴裝置、感測器和營運控制軟體(MES)之間全面性的連接。導入該架構的三項必要考量點、四項建設流程，將設備運算連網和通訊協定轉換概念納入，以成就高效率的工廠營運、裝置連網和工廠智慧化為目標。
「工業4.0」或「工業物聯網」，對很多生產製造的企業，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，工業物聯網對於工廠的生產品質、資產效益、網路安全性和成本有極大的競爭優勢提昇。
工業4.0及工業物聯網的概念皆是將企業運作系統、裝置和使用者一併連線至網際網路，以提升運作效率及營運效益，導入創新以成就競爭優勢。
連結/數據處理/網路安全 三大考量不可少
過去20年至今，IT結合自動化處理在能源、大眾運輸、城市基礎設施和製造方面的問題，而工廠早已開始探索工業物聯網的解決方案。接下來將一一列述布建工業物聯網的三項必要考量點、四項建設流程，將設備運算連網和通訊協定轉換概念納入，以成就高效率的工廠營運、裝置連網和工廠智慧化為目標。
物聯網連結
工業物聯網仰賴裝置、感測器和營運控制軟體(Manufacturing Execution Software, MES)全面性的連接。對於Fieldbus、工廠層級網路、控制層和各類工業營運應用，在過去是明確界定廠務管理及IT系統各司其職，卻不適合整體營運優化及擴張。例如：如果有好幾台電腦數值控制工具機(CNC)須連接至公司全球中控中心網路，將導致功能受限、複雜度增加且成本提高。工業物聯網建構時，為達到連結流暢度，必須瞭解裝置、通訊協定、實體介面，以及工廠和相關工作站間的連結方式。
將數據轉為有效資訊
現代的工業製造設備會產生大量的數據。設備連結增加，位移感測器也彼此自行連網，突破PLC障礙。專研企業大數據的公司試圖利用資料群集分析，將B2C範疇的數據分析方式運用於工業自動化，但是由於連網不夠完整、設施複雜及資料龐雜性，至今成效有限。透過工業網路頻寬增加，配合可調控智慧電腦的運用，工廠才能即時彙整所需資料進行擴張。
隨著營運資料的累積，硬體也須有對應的擴充性，讓管理者能很快透過即時分析來補足工廠與區域網路間的資訊斷層，達到顯著的效益。根據麥肯錫國際(McKinsey)的研究指出，透過現場資料收集並優化，產量可以提升3.7%(相當於每年約2,000萬美元)。
由於工業級網路的資料量相當龐大，資料傳輸和儲存並不容易。但透過嵌入式電腦和工業無線網路，可降低成本，並能夠提供串流資訊的有效處理及儲存，不同於以往，當異常發生時，中控室便會立即收到訊息。這些網路資訊能夠提供預防性處理參考，延長產品壽命，並發現潛在問題，提升投資效益，可協助營運轉虧為盈，提高營業利益。
網路安全
工業物聯網是讓分析在區域網路層級進行，目的是讓機器及感測器可在區域網路內分享資料並分析，先行達到優化。區域網路(LAN)的智慧化可降低中心運算及頻寬需求，並可降低對整體網路安全造成的風險。換句話說，可將以往大規模的企業網路，轉化成區域性子網路系統。當在建構網路時，應考量其備援機制、防火牆策略性設置，網路故障或遭入侵的可能性。在設計智慧型工廠解決方案時，應注意和考量網路連線的效能、可靠性及安全防護。
評估/擬定/盤點/導入 四大流程面面俱到
規畫建置前，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於傳統的解決方案。將營運目標傳達給供應商或系統整合商，在一開始網路結構及連結度等技術討論與考量，才能有穩固的基礎架礎。
接著列出營運問題癥結點，並簡明扼要闡述目標，針對各問題逐一確認解決方式及流程。以下為建議的智慧工廠設計流程。
評估分析營運困難點
營運問題可能是環境和技術因素，或企業內部流程改善需求。解決問題可具體如改變舊式網路連線升級為乙太網路，或廣泛設定將未來五年公司製造成本降低10%。
依據營運問題的不同，皆有不同解決方案。例如：機械建造公司已經使用多年電腦整合製造(Computer Integrated Manufacturing, CIM)系統。由於公司併購，既有系統需導入新的作業系統(MES)並改變製程控制標準流程。CIM系統架構因為不符合整合要求，以至效能不彰。
汰換CIM作業系統並不是解決問題的唯一方式，整體設備的效率必須要提昇，還必須可以跟全公司的運作系統互通。例如採用智慧型I/O進行狀態監視，協助優化既有的CIM並連網至MES，可提高設備效率，達成製程一致性。
擬定營運目標
以問題癥結點為核心，擬定營運目標並以重要性設定優先順序，可辨別任務關鍵性及其效益。公司、整合商和供應商可選擇最適當的智慧型廠區解決方案，確保專案完成時達成營運目標，同時考量長期營運和成本維護，預先設定未來擴充或縮減需求(圖1)。
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| 圖1 工業物聯網規畫工作表範例格式 |
例如：飲料公司的廠區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，並將既有裝瓶生產線連接到新的MES系統，以加強管理層的控制和掌握度。計畫是，先將廠區MES儀表板中生產線1至8的感測器設定達成最大的即時顯示度，從中稽核感測器和通訊協定，了解其適合的解決方案，以將各種感測器和致動器連接到SCADA系統，再進一步連結至MES。因此，協同經銷商、系統整合商與系統供應商進行網路稽核為必要事項。
瞭解主要流程互通狀況
智慧型廠區的連網挑戰是通訊協定劃分，端視特定作業而定，可能會連接互不相容或專屬Fieldbus自動化通訊協定。須確認內部資源、歷史記錄、產品裝置、端節點和設備，而後記錄其對應的通訊協定、實體介面、廠區地點和作業用途，才能了解各自的通訊協定。同時讓供應商或系統整合商了解技術、裝置或設備相關的任何限制及需求。
藉由實施網路稽核，確認營運困難點和目標並與相關單位溝通，即可部署連網計畫。運用連網和網路自動化解決方案的專業知識實現營運目標概念，並以客製解決方案符合稽核表要點(圖2)。
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| 圖2 工業設備連網自動化稽核格式範例 |
例如：現今的MES能夠支援全廠區連網，但無法進行大規模的系統診斷和生產分析。因此廠區營運經理必須整合既有I/O設備，以更有效落實周邊設備智慧化。透過位移感測器與系統的整合至廠區既有的SCADA系統內，以及周邊設備計算，可讓系統達到即時分析並優化生產線。而頻寬和區域網路效能的提昇，得以支援龐大的資料量從感測器傳輸至MES。為確保系統穩定及安全性，區域子系統網路和防火牆區塊設計必須納入解決方案中。為了達到此效益，營運經理必須掌握所有資源、感測器、裝置，對應其通訊協定及實體介面，依據工作流程分類載記，將所有細節納入連網解決方案。
衡量效益選用適切連網方案
投資成效的驗證並不容易，尤其當所要改變的專業領域為僅佔整體營運中特定的製造作業流程。透過明確的營運成本及資金效益預估，才能顯現智慧型連網廠區投資的隱藏成本和效益。經由審慎的資金預估，結合初期投資報酬率，可有效量化營運效益。
例如：中等規模半導體營運的廠區經理經過長期謹慎確認既有流程裝置，將裝置名稱、位置、通訊協定、實體介面和廠區地點輸入網路稽核工作表。並且提供內部初步繪圖與計畫，以問題癥結點擬定營運目標，廠區經理得以有多種連網解決選擇方案。為達到投資效益(ROI)最佳化，廠區經理須將停機時間、人事成本、總擁有成本均納入考量。
在不影響企業正常營運程序的前提下，也可將自訂的廠區自動化部門工具模組、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量。投資回收計算工具可用於：
智慧工廠最終目的是以智慧型的模式提昇生產效能，將營利最佳化：為了將工業物聯網效益最大化，許多互不相通的技術和產業必須能彼此相互配合協作。Moxa是領先業界的工業連網與自動化公司，為許多垂直應用市場提供連網解決方案。Moxa提供3000多種產品、並已經連接4000多萬組裝置，而且見證將過去獨立運作的工業串列網路連接到工業網際網路之後，掌握資料的明智優勢而對現場或廠區調降虧損底線並提高獲利的效益。
(本文作者為Moxa亞太區業務開發經理)