工業物聯網 IIoT SCR IP Ethernet 乙太網路 乙太網

嵌入連接/智慧機器/自然拓撲 工業物聯網穩步革新

2018-06-11
自從15年前由具遠見的自動化供應商引領開始,工業物聯網(IIoT)的進展未曾停歇,持續以新工具取代舊工具,並透過企業資源規畫與產品生命週期系統來連結自動化系統,徹底改變了原有的產業面貌。目前針對各領域的IIoT標準已陸續制定,這對於相關技術推展頗有助益,可預見未來發展的繁盛景況。

IIoT將實體世界與虛擬環境的疆界打散,這產生了更有彈性的評估流程和機器資料,亦即摒棄僵硬的自動化架構並且使用對使用者友善、依據網路標準的行動系統。 

儘管產生和收集資料是IIoT很重要的部分,但僅是如此,並不能讓製造商充分了解IIoT的好處,還有其他組成要素必須考量。 

首先,IIoT就緒的智慧連接裝置提供「進階感應系統」,產生裝置本身自己完成的資料分析中的第一層次資訊;再者,整體資料的邊緣閘道器可整合資料,顯示資訊與連接雲端,並做進一步分析;若進一步分析資料的應用與服務並且放入脈絡之下,可協助達成企業目標;此外,開放與協同的環境,讓夥伴可以開發共同平台。提供IIoT就緒智慧連接裝置,意味著嵌入式網際網路技術,像是Wi-Fi與網路服務成為這些裝置的一部分。例如,變頻驅動控制藉由提供馬達使用資訊和其他裝置,如感應器和中繼器,給予裝置生命週期資訊,對工業流程很重要。 

嵌入式數位服務也是支援流程優化的關鍵。好比,新的Altivar流程驅動控制使用內建網路技術標準、乙太網連接性、智慧性與資產管理或能源管理特色提供額外的脈絡資訊,包括即時事件、警訊、活動及歷史資料。 

邊緣閘道器整合不同來源所收集到的資料,並且在正確的時間提供即時企業資訊給正確的人。這是網際網路世界和流程(物)之間的關鍵介面。它也協助獨立於控制系統之外的加值服務。新的Magelis GTU人機介面(HMI)支援此願景,提供結合中央處理器(CPU)盒與選擇顯示的彈性,包括無線區域網路(LAN)啟用顯示。邊緣閘道口確保高層次績效與連接解決IIoT平台的關鍵需求。 

數位應用與服務對要利用IIoT達成企業績效的終端使用者極為重要,簡單的資料收集可擴大包括提供相關和有價值的企業資訊。該應用與服務的範例,包括安裝優化、資產管理與保護、條件型監控、擴增實境應用及整體設備效率(OEE)運算等。 

建立在開放與協同環境中的平台讓個別夥伴開發特定的應用,擴大提供並且幫助實現IIoT。遵循治理和流程的一致開發環境,讓IIoT平台可以輕鬆整合。 

簡單複雜性新概念  造就量測新思維  

工業物聯網的技術能力將提供機會,重新部署工業流程和測量及控制和連接的基礎。儘管這些基礎迭代彼此依存,都是從測量開始(這是流程優化與改善的催化劑),但IIoT還會更深入且有更多的預期。 

未來的測量會強調技術部分,將大幅降低規模和成本,增加運算儲存和功能,並且免除接線連結(功能與通訊)。這些改變會導致應用測量數量增加的新局面。利用極低成本的即時和預測資料連接感應器,利益相關人可以實現應用大批測量裝置進行控制與流程優化的價值。 

與所有生命系統類似,感應於分子層次精巧地執行,IIoT感應器會提升至執行單一績效任務。在生命系統中,每個生物感應器都是獨特的分子組態,用來測量特定的參數(如壓力、胰島素、pH值、溫度等)。在單一顯微細胞中,可能有上千個類似或不同的生物感應器。 

利用類似的方法,未來的IIoT感應要素將會很微小,並且含括非常少的獨特部分,同時嵌入更多資料處理智慧,只將相關的資訊傳遞給控制網路實體系統(又稱為智慧連接資產)。 

今日的處理感應器以「智慧」或「智能」做行銷,但是科技的進步已經可提升嵌入智慧,導致感應器更大且更昂貴,因此自我限制了部署數量。感應裝置的市場銷售末能猛烈成長並非因為資訊需求較低,而是受限於部署的高成本(感應器加上線路安裝成本)。可以提供真正IIoT能力的供應商可藉由簡單的無線感應器,開拓測量裝置的市場銷量。 

將基本組成簡化(測量),控制不同的分析與使用無線連接與雲端型架構,工業自動化與控制模式將會有方向上的改變(可定義為「簡單複雜性」),簡單的測量加上與顧客價值相當的複雜分析。 

要掌握IIoT機會需要在文化、思維、架構、策略和投資上有基本的改變。隨著許多IIoT科技可行,並且簡單的感應器設計目前也在檢視中,邁上智慧演變的旅程已經開始。 

智慧機器紛亮相  未來工業展新貌  

智慧機器的概念有幾個關鍵的促成條件(從科技的觀點)與驅動因素(從終端使用者和市場觀點)。兩者的結合,打造出安全與有自我意識、有彈性與能夠符合終端使用者和顧客需求的機器。網際網路連接裝置的整合、自動化組成與流程的採用,以及即時生產資料的使用,將賦權給終端使用者轉而使用更聰明的機器。隨著生產受惠於成本降低、縮短停工時間、品質和產量與競爭優勢提升,會加速邁向更聰明機器的使用與更廣泛的產業應用。 

總歸來說,智慧機器的關鍵特色如下: 

・自我意識 

設定參數的改變會由智慧機器定義並且與機器作業員溝通。在開發前線的機器將使用有嵌入智慧的感應器分配與自動化廠房的決策。 

・插電即用 

任何新的智慧機器都必須與既有的安裝或來自多家原始設備製造商的機器相容。終端使用者希望裝置可以在最短的時間內完成安裝,而且必須可以很簡單地整合至系統中。 

・安全與網路資安 

利用安全內建至基本設計中,智慧機器將改善作業員人身安全,並且將增加的網路安全風險降至最低。 

・連接 

智慧機器會與更廣大的網路直接連接(IP型)。因此讓資料及生產規畫可以分享,超越傳統單獨運作機器與自動化系統。 

智慧機器將消彌IT/OT之間落差,讓產品資料可在各種管理情況下使用,例如存貨控制、作業員排程、維護、能源管理及產品替代等等。 

支援智慧機器提升的主要趨勢,包括以行動裝置管理核心企業功能,以及利用與詮釋智慧裝置所擷取的大量資料。 

・行動裝置 

經歷工業中快速成長的行動科技,現在營運人員不再需要在靠近工廠機器處監控,或者管理績效機器工程師現在可在遠端診斷問題與提供指導(圖1)。如此一來,可刪減成本,也能加速解決方案的執行。 

 

圖1 工業行動應用的全球市場預測(IHS資料)

・資料管理 

因為感應器與其他網路組件新增至機器上,將會產生大量的生產資料。即使有相當簡單的應用,這很容易造成資料過載,並且無法使用生產資料支持即時決策的制定。智慧機器必須有智慧型層級可快速使用資料,並且採分散方式。將所有資料傳送至中央控制系統做分析,將容易造成延遲,並且為不能擴充的結構。讓智慧型感應器、組件及機器只透過預定義參數分享資訊,會達到更佳的資料管理。減少在更廣泛網路/社群中分享資料層次,將加速決策與減少積壓(關鍵資訊可能延遲或缺少)。 

IIoT需求帶來商機  儀器通訊快速演進  

關於IIoT年代持續演進的儀器通訊,可以從以下幾個部分來加以詳細探討。 

控制/資料記錄工具化 

過去15年來,受規範產業對品質的規定已經開始演變並且影響儀器設計與應用方向。數位資料必須以安全形式擷取,並且正確規格的演變需要更高層次的可重複流程控制,這影響了航太與汽車產業、製藥及生物科技產業(由FDA主導),並且現在透過食品安全現代法(FSMA)開始影響食品及飲料業。 

早期的記錄裝置與更新進的裝置兩者都使用網路伺服器與乙太網路,在工廠網路中任何個人電腦(PC)儀器螢幕上提供完整瀏覽畫面。此外,也新增記錄儀器的安全特色,提供安全管理與稽核測驗功能。這些智慧記錄器演變為最小的生產力站,讓關鍵資訊可由熱電偶、機器維修使用,可以直接在裝置上排程。 

維護品質標準,須要建立控制裝置與記錄儀器之間的直接溝通連結,以消除傳統再傳輸方法中的錯誤。乙太型Modbus TCP用來作為裝置到裝置的通訊,以正確將控制資料傳輸至流程記錄。 

多年來,儀器製造商已在面板安裝儀器上採用DIN標準,利用標準化面板縮小控制器、記錄器與其他箱型機器裝置的大小。裝置自從使用多迴圈控制、安全資料記錄、經整合的乙太網路與內建網路伺服器後,現在可被視為第一批IIoT迷你站,提供必要的感應器和網際網路之間的成本效益。 

此類智慧裝置的目前開發可在受規範與未受規範的產業中有更廣泛的應用。該解決方案提供具成本效益的先進運算(包括整體設備成效)以及安全的網際網路連結。 

動力裝置革新 

矽控整流器(SCR)動力控制器(或晶體閘流器)的開發,是為了在電路控制開關上提供精準的方法,也設計用來克服機器接觸器限制和使用壽命議題。SCR科技現在用來作為獨立的控制器,並且提供系統方法以管理電力需求。 

許多SCR裝置可以每秒隨機點火數次,如果數個單位同時點火,負載需求會增加。藉由使用乙太骨幹的電力排序,可以均衡自動化負載與進行減載,並且可命令點火模式與減少最尖峰的負載需求。這些智慧連接裝置可作為單區或多區設備,並且可提升跨設備的電池表現。乙太網路上的通訊可在未來連接電力供應商與廠房之間的自動化,如此一來,雙方可以受惠有效率的電力需求排程。 

工作流程創新 

儀器到儀器的通訊是過去10年來IIoT發展的特色之一。可以確認的是將價值新增至自動化專案中,可以開發設備、作業員與供應及提供鏈之間的聯繫。工作流程種類應用會引領此領域的改變,以下舉一些範例做說明。 

首先,工作流程解決方案中嵌入合規IP的生產應用即時連接機器與決策者,這確保能夠持續達成法規要求,並且有自動警報提醒對任何標準的違反。 

再者,透過雲端科技與每日應用及遠端供應鏈連接,法規參數提供控制與資料處理,從食物生產到上桌皆能解決所有面對的問題。 

此外,校正應用協助輕鬆檢查必要的規定校正,這是許多受法規規範工業的關鍵規定。使用雲端校正紀錄,透過引進線上服務,現在可以執行。輸入包括平板輸入與使用儀器標示(使用智慧型手機QR閱讀器)QR碼的安全檔案連結。 

透過智慧連接資產  流程控制創造價值  

自動化系統與科技以安全及善盡環保責任的方式為產業營運與企業創造改善價值。自動化中的新趨勢應以兩個層級進行評估,包括技術層級與功能層級。技術層級處理科技進步對自動化平台科技和拓撲產生的影響,而功能層級處理逐漸新增的功能,即自動化平台能夠提供的營運和企業價值改善功能。IIoT運動提供兩個層次的重大改變,讓價值產業公司受到越來越多自動化的影響。這些科技各自都有著美好的未來。但是結合在一起時,則提供前所未有的機會。這些科技結合在一起創造出的環境,能夠突破傳統科技加諸在自動化系統的限制。 

舊有科技中的成本、速度與大小限制建立起自動化架構,並且以形式來定義科技的限制。結果發展為兩種不同的產業營運拓撲;自動化系統拓撲和產業營運拓撲。為了有效營運設施,人員必須學習這兩種拓撲,這已經造成產業營運中複雜性提高。 

利用IIoT提供的新層級靈活度,自動化系統科技可以與工業技術完美搭配,大幅簡化兩者的應用和營運。 

這些新的自動化系統拓撲因為與工業營運自然結合,而被稱為自然拓撲。此結合的預期結果為自動化系統在資產於營運中的應用,包括最簡單的設備及流程單位或工作間、車、區域、工廠、隊伍與企業。這會造成簡化的環境中統一智慧連接資產控制系統與智慧產業企業控制系統的結合。在該系統中,每項資產與資產設定是為了控制優化企業結果。 

在功能層次,自動化系統最初會開發成即時的控制流程。大部分資料中所執行的即時流程控制焦點為流程或機器的有效改善,而不是整體營運的改善。雖然改善效率很重要,但是即時控制不應該只應用於工業營運的單一領域中。 

隨著過去十年來產業企業的速度持續增加中,要管理產業中人力資產,交易排程已經證實並無效率。例如傳統上每日、每週和每月排程管理的獲利能力、安全性風險、環境風險、可信度及保全風險等重要的產業變數,現在都必須即時管理。因此,不可能再使用相同的方法管理。 

逐步演變漸趨完善  IIoT發展蔚為風潮  

即時控制必須支援這些重要的商業要素。受手動或自動、回饋意見或預測性控制影響的決策必須快速做出,才能正面影響流程作業。必須應用即時控制,以改善產業企業中資產的效率、可信度、獲利能力、安全風險、環境風險與保全風險。 

儘管對IIoT的興趣已蔚為風潮,有幾個理由讓大家將IIoT視為演變,而不是革命。終端使用者已在工業自動化與控制系統上投資數百萬元,絕對不願意再投資數百萬元使用新科技取代那些系統。即使有一個有效的企業案例,因為IIoT的好處而大舉「砍掉重練」系統,終端使用者仍會抗拒改變,因為停工和相關成本風險會增加。 

除此之外,具遠瞻性的自動化供應商和一些終端使用者過去15年來已經悄悄地朝此目標邁進。嵌入網路伺服器及使用乙太網路作為即時控制網路的概念,是為了讓來自企業各處的資訊能夠「透明地」普及使用,這首先由施耐德電機(Schneider Electric)於1990年代提出。「透明工廠」的概念在今日IIoT的故事中獲得清楚的回應。 

如果希望在市場上具有競爭力,供應商與使用者必須在產品和營運中開始採用IIoT。好消息就是,連接感應器的成本快速下降,開放型IP協定快速受到重視,雲端型解決方案已經非常普遍。 

(本文作者為施耐德電機策略與夥伴副總)

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!