背景

　　物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)已經(jīng)開啟了制造業(yè)的第四次工業(yè)革命(Industry 4.0)，從傳統(tǒng)的“自動化”邁入以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的“智動化”生產(chǎn)模式，從半自動化或單機自動化設(shè)備進步到基于網(wǎng)絡(luò)的機器對機器(M2M)及機器對人(M2P)的溝通方式。如果再進一步與企業(yè)的信息系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析技術(shù)相結(jié)合，將可創(chuàng)造出智慧工廠無限的可能。

　　借助物聯(lián)網(wǎng)趨動的智慧流程，智慧工廠將可減輕對人力的依賴、改善生產(chǎn)過程的精準度、正確度及效率、提高產(chǎn)能與質(zhì)量、降低成本，最終增強企業(yè)的市場競爭力。

　　根據(jù)國際數(shù)據(jù)信息(IDC)發(fā)布的市場研究分析，全球制造業(yè)潛在的物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模到2018年時將達到9,130 億美元，相比2014年的4,720億美元，年平均復合增長率(CAGR)達到17.93%，在整體物聯(lián)網(wǎng)市值14.4兆美元中占比最高，達27%。

　　此外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司思科(Cisco)評估，全球制造業(yè)所使用的6400萬臺機器中有92%的設(shè)備尚未聯(lián)網(wǎng)，遍布在各地的生產(chǎn)線上。理論上，要推動生產(chǎn)智動化最理想的方式是直接把這些機器更換成新的智慧化機器，但對許多考慮成本的制造業(yè)者而言，這并非務(wù)實之舉，因為他們已經(jīng)投資大筆資金在既有的生產(chǎn)設(shè)備和自動化機器上，這些既有的設(shè)備必須使用多年才能收回成本。

　　因此，比較可行的解決方案是在可接受的預算范圍內(nèi)，設(shè)法讓既有設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)，進而整合到智能工廠系統(tǒng)中，以搜集這些設(shè)備和機器的運行數(shù)據(jù)并加以分析。

　　挑戰(zhàn)

　　以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)制造環(huán)境結(jié)合了廠區(qū)的操作技術(shù)及管理層的信息技術(shù)。前者是通過網(wǎng)絡(luò)串連各項設(shè)備與裝置，實現(xiàn)機器自動化、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、環(huán)境監(jiān)控、能源管理等工作；后者則是指管理層使用的信息應(yīng)用系統(tǒng)，包括企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)(ERP)、客戶資源管理系統(tǒng)(CRM)以及各種不同的信息分析工具等這些元素一旦連接在一起，會產(chǎn)生各種支持多個子系統(tǒng)的虛實整合系統(tǒng)(CPS)。在此類應(yīng)用情境中，系統(tǒng)運行必須十分穩(wěn)定可靠，而各個設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)之間流動的數(shù)據(jù)則必須十分安全，并且達到最小的延遲。因而，網(wǎng)絡(luò)連接性和有效率的數(shù)據(jù)流是智慧工廠最基本的要求。然而，欲將廠區(qū)既有設(shè)備和其他資產(chǎn)連接上網(wǎng)絡(luò)，卻面臨著多重挑戰(zhàn)：

　　■傳統(tǒng)的技術(shù)零散且難以整合

　　自從自動化生產(chǎn)問世以來，已發(fā)展出各種各樣的技術(shù)及標準，混雜于生產(chǎn)線的操作中，即使同一家公司不同廠區(qū)的生產(chǎn)現(xiàn)場，也可能部署了各種不同標準的設(shè)備。但工業(yè)4.0的概念，是將各項單獨的生產(chǎn)元素通過網(wǎng)絡(luò)整合串連，而獲取對于管理或操作決策而言十分重要的信息。不幸的是，現(xiàn)實中有許多阻礙，智能工廠的實施者面對如下的困難場景：

　　. 廠區(qū)里常使用的各種控制器，包括可程序化邏輯控制器(PLC)、以PC架構(gòu)為基礎(chǔ)的可編程自動控制器(PAC)及嵌入式的微控制器(MCU)等，往往是由多個不同供貨商所供應(yīng)，使用的技術(shù)也不一樣。

　　. 從過去到現(xiàn)在，許多PLC供應(yīng)廠商使用不同的通訊標準連接 PLC和現(xiàn)場總線，有些廠商還自行發(fā)展自用的標準。即便有某些標準在市場上追隨者眾多，也未能成為唯一的標準。結(jié)果就是同一生產(chǎn)現(xiàn)場需同時部署多個通信標準以支持各家廠商的設(shè)備。

　　. 甚至有些生產(chǎn)設(shè)備連傳統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)端口或串行端口都沒有。

　　■OEM廠商的知識產(chǎn)權(quán)保護

　　原始設(shè)備制造商通常不愿提供設(shè)備操作協(xié)議的原始代碼，以保護他們的知識產(chǎn)權(quán)益。這使得整合不同設(shè)備成為完整系統(tǒng)的工作橫生阻撓。甚至有時提供設(shè)備的公司已經(jīng)解散。

　　■客戶拒絕對既有系統(tǒng)進行重新配置

　　生產(chǎn)設(shè)備的管理者常常拒絕系統(tǒng)集成商對既有系統(tǒng)及設(shè)備的軟件內(nèi)容進行增減或調(diào)整。

　　■數(shù)據(jù)的實時性無法滿足客戶要求

　　雖然許多既有設(shè)備采用 PC架構(gòu)并可產(chǎn)生紀錄文件，但這些紀錄文件并非實時產(chǎn)生且數(shù)據(jù)經(jīng)常缺漏。而且不同的設(shè)備廠商提供的紀錄文件數(shù)據(jù)格式不一，使得數(shù)據(jù)復寫和系統(tǒng)擴縮變得復雜。

　　策略

　　工廠建設(shè)與投資的金額往往相當巨大且費時，因此將工廠既有設(shè)備轉(zhuǎn)變成基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠時，必須從多個角度進行考慮，且思考的角度應(yīng)當具備以下特點：

　　■解決方案應(yīng)具通用性和可擴展性

　　新的智慧工廠必然需架構(gòu)在通用型的技術(shù)架構(gòu)上，非獨家廠商的秘密配方，以避免過去各家技術(shù)無法整合的痛點。更重要的是，這個架構(gòu)必須是可以彈性擴展的，不用擔心因為產(chǎn)能需求新增機臺后，無法維護。

　　■成本效益

　　對于許多正考慮實施智能工廠連網(wǎng)的制造業(yè)廠商而言，考慮的第一重點自然是最終效益能否大于付出成本，這對于流程比較復雜的工廠尤其重要，因為這類工廠往往已經(jīng)購置了許多昂貴的生產(chǎn)組件，他們會希望設(shè)備能一用多年，以回收投資成本，最好不需要為了構(gòu)建智慧工廠而停機，或是停機時間越短越好，如此可提高制造業(yè)廠商實施智能化工廠的意愿。

　　■實時數(shù)據(jù)的采集

　　對于支持物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)而言，取得實時信息決定了未來營運模式能否成功。因此，信息的取得必須實時，以支持重大且立即的決策。

　　■降低甚至無需更改既有設(shè)備的配置

　　為了減輕對客戶資產(chǎn)造成的沖擊，解決方案的部署最好對既有設(shè)備的軟硬件只進行較少或零調(diào)整，以避免造成不穩(wěn)定或損害，并將停機時間降到最低。

　　■數(shù)據(jù)傳輸帶寬最大化

　　隨著越來越多生產(chǎn)組件被連接到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將有更多數(shù)據(jù)需要在更短時間內(nèi)完成傳輸，網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效利用（最好大于85%)就越發(fā)重要，以容納更多的連網(wǎng)設(shè)備。

　　■動態(tài)發(fā)現(xiàn)

　　對于實施物聯(lián)網(wǎng)的工廠而言，產(chǎn)能與營運決策息息相關(guān)，設(shè)備配置和流程經(jīng)常必須調(diào)整，因此物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須能提供動態(tài)發(fā)現(xiàn)功能，使得生產(chǎn)組件和流程重新設(shè)定所需要的時間可以縮到最短，以減少調(diào)整時的整體停機時間。

　　■可擴展且可靠

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)既然必須連接大量設(shè)備，理想的解決方案應(yīng)該具備最大的可擴展性，以有效管理各種元素組態(tài)并支持未來的系統(tǒng)擴展，且所有元素必須以可靠的方式連接，才能支持高時效性與關(guān)鍵任務(wù)的應(yīng)用。

　　■知識產(chǎn)權(quán)保護

　　不同于傳統(tǒng)單機設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一旦上線，數(shù)據(jù)便暴露在風險之中，因此智慧工廠解決方案必須整合有效的保護措施。

　　■彈性化的虛實整合系統(tǒng)(CPS)架構(gòu)

　　虛實整合系統(tǒng)(CPS)結(jié)合信息與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)與實體元素，并串連各個設(shè)備的功能，而能實現(xiàn)既有設(shè)備的互聯(lián)和智動化。這項新的IT技術(shù)使得傳統(tǒng)拼接式、孤立的生產(chǎn)設(shè)備得以整合、轉(zhuǎn)型成靈活的、無縫接軌的系統(tǒng)體系(SoS)，從而符合用戶的生產(chǎn)流程需求。從各個子系統(tǒng)搜集得來的數(shù)據(jù)可自發(fā)地、實時地、在任何時間內(nèi)，在系統(tǒng)內(nèi)分享，進而實現(xiàn)智能制造。有別于傳統(tǒng)的5層架構(gòu)，基于發(fā)布/訂閱(Pub/Sub)機制的虛實整合系統(tǒng)(CPS)可以自發(fā)地、實時地，在任何時間內(nèi)共享數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能制造。

　　解決方案

　　凌華科技結(jié)合經(jīng)市場證明的技術(shù)專業(yè)度、以及多年來耕耘自動化、通信、工業(yè)計算領(lǐng)域的經(jīng)驗，所提供的產(chǎn)品，其整合性和功能在出廠前都會經(jīng)過充分驗證，讓OEM廠商的解決方案得以快速上市，無需經(jīng)過冗長調(diào)整及測試過程。凌華科技智慧工廠解決方案可加速尚未聯(lián)網(wǎng)的工廠棕色地帶(Brown Field)變成綠色地帶（Green Field），打破達到工業(yè)4.0標準的障礙，讓工廠通過以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能制造，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)、提升效率和利潤。

　　凌華科技的解決方案產(chǎn)品包括：

　　網(wǎng)絡(luò)與通信

　　嵌入式計算機

　　量測與自動化

　　■MXE-200i系列物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

　　MXE-200i是加固、可靠、應(yīng)用就緒的嵌入式邊緣計算機，可協(xié)助已經(jīng)安裝了傳感器的工廠設(shè)備或其他資產(chǎn)連接到其他網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備、以及（或）云端應(yīng)用系統(tǒng)并分享數(shù)據(jù)。MXE-200i搭配Intel Atom.E3826處理器，支持 Intel.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)科技(Intel.IoT Gateway Technology)解決方案，同時預安裝WindRiver.IDP XT 2.0/3.1智能型設(shè)備平臺，可實現(xiàn)完整的物聯(lián)網(wǎng)功能。MXE-200是目前市面上加固性最高的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，適合應(yīng)用于嚴苛的環(huán)境，并符合工業(yè)等級的防止電磁干擾和電磁耐受性標準(EN61000-6-4,61000-6-2)，可保護客戶的資產(chǎn)并降低整體擁有成本(TCO)。

　　■Matrix MXE-5500系列無風扇嵌入式計算機

　　MXE-5500系列為四核的加固型無風扇計算機，搭配第六代Intel. Core. i7-6820EQ/i5-6440EQ/i3-6100E處理器，計算能力較前一代CPU大增30%，圖形指令周期也快30%，且具備硬件媒體編譯碼器，可支持4K超高分辨率顯示，性能優(yōu)越。

　　凌華科技是Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟高級會員（Premier）之一，產(chǎn)品支持Intel.的物聯(lián)網(wǎng)解決方案架構(gòu)，并搭配凌華科技新近并購的網(wǎng)絡(luò)軟件公司PrismTech，提供以DDS標準為基礎(chǔ)的硬件和工具，完整供應(yīng)DDS平臺物聯(lián)網(wǎng)的云、網(wǎng)關(guān)、霧所有需要的產(chǎn)品。

　　凌華科技完整的端到端(end-to-end)平臺解決方案，能滿足物聯(lián)網(wǎng)部署的所有需求，提供易于部署與使用、成本效益高的產(chǎn)品組合，可在幾乎所有制造業(yè)環(huán)境中成功建立物聯(lián)網(wǎng)所需的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　參考案例

　　Intel.近來與某些頂尖的電子工廠合作，展開一項智慧工廠先導計劃，希望提供一個由網(wǎng)絡(luò)連接的智能化生產(chǎn)環(huán)境的示范模型，而在不久的將來進行擴大推廣。一家電子工廠被選中作為示范工廠，目標是將該工廠既有的生產(chǎn)線設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，以改善生產(chǎn)質(zhì)量與效率。這項示范工廠使用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺由 Intel.和凌華科技共同提供，凌華科技是Intel.物聯(lián)網(wǎng)解決方案聯(lián)盟(Intel. IoT Solutions Alliance)的高級會員（Premier）之一。該工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)了：

　　. 從工廠既有生產(chǎn)組件、新增設(shè)備及數(shù)據(jù)分析平臺有效地獲取數(shù)據(jù)

　　. 整合既有組件成為全套的智能生產(chǎn)線

　　. 串連整個生產(chǎn)環(huán)境的安全穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機

　　. 客制化的物聯(lián)網(wǎng)平臺，提供邊緣、云、車間、ERP等服務(wù)，支持大規(guī)模生產(chǎn)工作的優(yōu)化。

　　因此，本方案在生產(chǎn)端安裝了許多遠程終端及遠程控制單元(RTU/RCU)，以方便從未連網(wǎng)的既有裝置和設(shè)備獲得控制和操作數(shù)據(jù)，再通過部署了數(shù)據(jù)分布式服務(wù)(DDS)軟件的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送到后端平臺，而實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的遠端實時監(jiān)控。

　　從生產(chǎn)線采集的原始數(shù)據(jù)報包括了機器名稱、材料編號、編程名稱、標準參數(shù)、生產(chǎn)統(tǒng)計、生產(chǎn)成功/不良計數(shù)、機器狀態(tài)、指示燈和告警代碼信息、所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的運行時間以及其他相關(guān)信息。

　　為了確保整體網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機的安全和可靠，本方案選用基于DDS標準的數(shù)據(jù)分發(fā)平臺。以發(fā)行/訂閱的通訊架構(gòu)為基礎(chǔ)的DDS平臺，具有扁平化、簡單、解耦、分布式架構(gòu)的特色，可以進行點對點的通信及多播功能，無需通過中介設(shè)備，也因此可消除因單一節(jié)點故障造成的網(wǎng)絡(luò)等待時間，對于需要高度時間決定性的應(yīng)用系統(tǒng)而言，DDS可提供絕佳的可靠性和可擴展性。

　　系統(tǒng)會紀錄生產(chǎn)在線的產(chǎn)量與零件使用，并就生產(chǎn)過程中的半成品進行質(zhì)量檢驗分析，就各生產(chǎn)系數(shù)、所有會影響質(zhì)量和安全的因素進行實時報告。用戶并可自行設(shè)定警戒系統(tǒng)的警戒參數(shù)。

　　一旦有警報發(fā)布，會馬上上傳通知給管理系統(tǒng)以及所有受影響的工作站，讓相關(guān)人員或工作站采取適當措施，避免錯誤的操作持續(xù)下去而造成生產(chǎn)線癱瘓或停擺。

　　當系統(tǒng)累積到足夠的歷史數(shù)據(jù)，即可開發(fā)問題預警功能，從而協(xié)助產(chǎn)生主動的、先發(fā)的維修作業(yè)，避免設(shè)備在操作中發(fā)生故障，防止宕機或?qū)㈠礄C時間縮到最短。

　　同時，通過積累品管檢測的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還可產(chǎn)生模式來改善檢測準確度，避免因錯誤的檢測而造成的生產(chǎn)上的損失，進而能改善產(chǎn)品良率。