產線數位轉型以建立韌性供應鏈，工業閘道器強化聯網與資料處理能力，除了聯網與多協議轉換之外，具邊緣運算能力的閘道器維持設備穩定並提升產線智慧化，半導體SECS/GEM擴大產業影響力，強化產業韌性將厚植企業長期競爭力。
COVID-19疫情蔓延進入第三年，疫情反覆讓製造業更加體認產線韌性的重要，因應自動化的需要資料量大幅提升，傳輸與處理的能力也因此倍增，但應如何透過全面數位轉型讓產線具備可以因應未來變化的「韌性」？工業閘道器(Industrial Gateway)在物聯網時代肩負蒐集、傳輸甚至處理數位資訊，協助產線數位轉型，並可以與可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)合作，強化產線運作彈性與即時應變。
工業閘道器為產業聯網應用所設計，提供使用者一個可穩定運行、方便部署、立即開發的解決方案。為了能讓各種邊緣設備與雲端之間串聯無阻，工業閘道器內建多種產業與工業應用所需的資料擷取通道，以及無線通訊的擴充槽，能可靠地將數據上傳至雲端，實現即時監控與預防保養。透過有/無線網路技術與微處理器(MCU)，甚至導入人工智慧(AI)，強化產線智慧化判斷，並與PLC的指令協同合作，讓產線運作更加順暢。
環境挑戰帶動設備聯網風潮
針對近年外在環境的變化所帶來的挑戰，智連工控顧問徐明照(圖1)認為，工業物聯網(IIoT)接下來的發展重點，一是防弊先於興利，一是智慧機械強化聯網效用。IIoT近年發展大多著重在工廠端的功能，強調先從可視化開始，加上一段時間的資料收集大數據，並進行人工智慧的分析，最終可以做到商業智慧(Business Intelligence, BI)。然而相較戰情室華麗的圖表，其實事件通知更單純有效，溫度有沒有太高？壓力是不是太低？流量會不會不夠？透過防弊的概念，即時警示有問題的狀況。所以，在工業物聯網的應用上，尤其是現有的生產環境，從防弊著手，會比興利容易推動。
圖1 智連工控顧問徐明照提出IIoT發展重點為防弊先於興利與智慧機械強化聯網效用。
此外，防弊到了某種程度，需要與生產設備有更深層的連動，讓設備原生的自動化機制也可以聯網，而不是只有聯網監看設備狀態，這也是為什麼要開始著重智慧機械的原因。徐明照說，當感測器測到環境溫度過高，經驗上這有很大可能影響製造產品品質，最好的做法是暫停產品的生產，好讓工程人員確認狀況是否需要停機檢修。欲達此境界，產線本身的智慧化程度相當重要，透過具備邊緣運算能力的工業閘道器，與預留工業物聯框架的設備控制器，讓工業物聯網與生產設備有更深層的連動，並且在設備穩定運作和產業升級需求之間取得平衡。
另外，ADI台灣區業務總監徐士杰(圖2)指出推動未來工業4.0成長的幾個主要動力，首先是對更彈性、更高效的製造產線的需求；資產的安全性，設備的健康狀況或狀態監測(CbM)，未來結合5G及演算法是工業的驅動力；再者，推動碳中和等儲能、新能源發電等的發展；最後，是更彈性的柔性供應鏈。而隨著5G技術的發展，工業乙太網路將會泛IT化。過去工業物聯網的問題在於沒有統一的標準，假以時日，當所有工業資料或者工業連結統一對接進平台後，資料之間的互通性提高，數位分身技術便得以運用及實現。
圖2 ADI台灣區業務總監徐士杰認為對更彈性、更高效的製造產線的需求，目的是建構柔性供應鏈。
工業聯網目的為強化產線智慧化程度
工業4.0願景的核心就是讓各種流程自動化，運用聯網裝置以及蒐集/傳送/接收資訊的能力。徐士杰說，從邊緣節點裝置取得以往無法獲得的資料，進而為資料分析以及營運情資開發許多新的可能性，無縫傳遞現在與未來的資料流，連結自動化網路與雲端環境。以ADI的工業平台Chronous為例，可在控制迴路的邊緣實現安全通訊，保護系統內每個節點的網路通訊安全，同時儘量平衡在功率、性能和延遲之間的取捨。這些可擴展乙太網路解決方案，提供在高度時間敏感型應用中擴展安全性的方法，以因應安全風險。
隨著自動化程度不斷提高，並由機器人承擔重複性危險工作，製造商可以提升勞動力價值，確保生產連續性。這不僅可以讓員工發揮自己的腦力，還可以將以前外包的自動化和重複性工作收回自行完成。而製造商利用可靠的即時資料和易於重新配置的系統，將能迅速做出決策，安排維護計畫、調整機器設定，使機器與產線能正常運作。
生產相關的自動化可以分為控制自動化、生產資訊自動化、物流自動化等。工研院機械所資深工程師陳繼賓(圖3)表示，要強化工業物聯網的效用，必須透過具備邊緣運算能力的工業閘道器，讓自動化控制機制也可以聯網，而不是只有設備的狀態上傳網路，因此工業閘道器的角色重要性日益提升。工研院機械所副理蔡承佐也補充，以往的閘道器大多著重在通訊協定的轉換，現在工業閘道器將越來越強調運算能力，不但可以接收訊息，更可以做決策，在單純的環境甚至透過內建的數位輸出(Digital Output)、類比輸出(Analog Output)，就可以對裝置或設備下達控制指令。
圖3 工研院機械所資深工程師陳繼賓表示要強化工業物聯網，必須透過具備邊緣運算能力的工業閘道器，而不是只有設備狀態聯網。
另外在無線通訊技術上，為了因應多樣聯網與物聯網應用需求，包括蜂巢式、藍牙和Wi-Fi標準都已經有新的進展。徐士杰認為，5G提供了多項工業自動化仰賴的通訊基礎建設，可承載工業網路不同的典型業務。如果說部署中的5G為工業智能畫下未來的理想願景，那麼基於TSN改造大量應用於工業製造的乙太網路則已經就位，相關技術正在促成智慧製造落地。
半導體SECS/GEM協議擴散不同領域
而各個產業由於「含金量」不同，國際化程度不一，對於產品的精確度要求各異，導入智慧化或網路化的程度與時間也有差別。半導體產業由於產品附加價值高，尤其是先進製程的晶圓不僅單價高，對於產品的規格要求也高，所以半導體產業導入智慧化/網路化的時間較早，相關規範也更完善。徐明照解釋，半導體業國際通用的通訊協議稱為SECS/GEM(SEMI Equipment Communications Standard/Generic Equipment Model)是國際半導體產業協會(SEMI)所制定的產線通訊協定。
已經發展多年的SECS/GEM定義範圍很廣，小到設備和它的上層主機(Host)二者之間，在通訊時所有必要細節，大到一台設備在各種情境下應有的行為。陳繼賓提到，SECS/GEM主要應用於半導體產業，因為對設備通訊和行為定義完備，後來逐漸擴展到其他領域，印刷電路板(PCB)產業、光電(PV)產業、發光二極體(LED)產業與平面顯示器(FPD)產業等，近年都逐步導入。
半導體廠的任何裝置，小到感測器、大到製程生產設備，只要生產資訊需要相關的數值，這些裝置就必須透過EAP(Equipment Automation Program)連接到全廠的生產資訊系統，而裝置與EAP之間就是使用SECS/GEM來溝通。蔡承佐指出，由於SECS/GEM技術成熟，因此也逐漸擴展到一些非製程設備。由於GEM定義了設備行為的框架，設備與上層主機依照這個定義，在相同的框架下，各自分別進行開發。對於設備廠而言，SECS/GEM提供單一標準，只要遵循這個標準，便可以滿足多數的使用者。對於半導體廠而言，來自不同設備商的設備，全都使用同一種介面，相較其他領域不同廠商設備無法互聯互通，SECS/GEM具備巨大的優勢，也是吸引其他領域導入的原因。
產線聯網/AI建構產業競爭力
而一般產線中由於設備之間缺乏SECS/GEM這類跨系統的協定，工業閘道器為自動化產線設備之間的通訊橋梁，要求高速度與資訊安全；普萊德科技技術長施義紳(圖4)說明，現行產業多個不同的工業協定(Industrial Protocol)，IT網路資料無法一機直接互通，因此，在自動化應用的通訊設備需能跨領域支援多種工業通訊協定，以有效實現機器與機器之間通訊、現場與中央控制之間的通訊，解決於嚴苛環境整合建設工業物聯網的難題，更進一步利於架構人工智慧物聯網(AIoT)的應用。
圖4 普萊德科技技術長施義紳認為工業閘道器為自動化產線設備之間的通訊橋梁，需求高速度與資訊安全。
因應產線無人化/自動化，產線訊息、控制、決策節點的升級需視應用場域而適度調整，考量因素包括產線的複雜度、生產速度、產品成本、人機整合需求度等等，因此，網路閘道器能支援多種工業協定也相對重要，以利促進產線/無人化自動化應用。施義紳強調，以普萊德工業級閘道器為例，除了支援Modbus，亦支援EtherNet/IP工業協定，並保留其它協定擴充能力，充足運算資源能整合不同場域的HMI或是PLC，對於訊息的處理、控制和決策預留相當大的彈性，在單機運作、大量協同整合的場域均能快速建置。展望未來，能高速與企業5G專網或雲端AI連結應用的能力將是關鍵。
普萊德科技研發工程部協理康世昇進一步說明，普萊德工業級閘道器產品可應用於邊緣運算(Edge Computing)，其工業級5G NR IoT閘道器、工業級LoRaWAN閘道器、工業級VPN資安路由器，除了網路資料交換能力之外，隨時皆可升級邊緣運算能力，加速資料的集中處理與運算，再後送數據與生產中心，搭配智慧化中央網管平台，容易導入工業物聯網協助智慧化決策。
疫情、戰爭、通膨等黑天鵝終究會過去，而為了因應這些挑戰所淬煉的產業智慧化與韌性將會留下來，儘管這些是為了因應挑戰而產生的推力，但未來競爭力的提升將進一步強化產業/企業體質，研華科技工業物聯網事業群資深協理邱建清也認為，產業智慧化是不可逆的趨勢，從通訊、協定轉換、AI等逐漸深化的需求，將呈現一個穩健的進程，投入的廠商中長期也將獲得更多回報。