OT與IT全面整合　IIoT開啟大連結時代

2011年德國總理梅克爾宣布啟動工業4.0後，全球製造業開始掀起智慧化浪潮，包括中國的「中國製造2025」、美國的網宇實體系統(Cyber-Physical System, CPS)、日本的產業重振計畫等，除了政府機關外，產業界也開始積極布局，透過工業物聯網的建置，鏈結IT與OT系統，整合製造現場的操作系統與企業端的資訊系統。 

OT系統不求整合只求穩定 

過去製造業的OT系統與IT系統各自負責的工作涇渭分明，OT系統作為製造用途，大部分的工業設備在發展上，走得一向都比消費性電子產業慢，原因有二。一是工業設備造價昂貴，安裝困難，不可能如手機、PC大約1~2年就會有一波換機潮，而工業設備一般的使用年限都在7年以上，因此設備供應商都起碼必須有5年以上的保證供貨期間。二 是生產設備首重穩定，能否快速、穩定地持續產程才是業者的第一考量，畢竟工業設備要求的是最適化而非最高效能的產品，加上消費性產品或標準在剛推出時，都會有一段品質的不穩定期，因此工控產業都會等到該技術標準在市面上經過長期的使用，證明已完全成熟後，才會開始導入。例如控制器，傳統PLC長期稱霸市場，即使PC技術已成熟多年，但也是到了近期才開始被應用在控制方面，而即使如此，產業中仍有PC-based控制器不穩定的印象存在，認為PLC已可提供最適性與穩定性。 

同樣的情況也出現在OT系統的工業通訊部分，工業網路從無到有的確是歷程艱辛。工業網路不如商業網路的發展迅速有兩點因素，首先是成本考量：要建置網路必須花上一筆費用，尤其是針對一些低階或是非電子類的設備來說，目前網路設備價格雖已逐漸平實，但對規模不大的廠商來說仍是一筆負擔。第二是工業網路標準太多，各工控設備廠商從自身利益考量，力推自家的網路規格，協商標準統一時，往往不肯犧牲利益而讓步。不同的網路協定各有特點和其存在的環境和價值，而當技術不斷地被創新，新的協定持續誕生，使用者往往無所適從，擔心一但選用了其中一種協定後，會受制於特定廠商。 

儘管有著上述缺點，面對網路技術所帶來的種種優勢，工業網路仍開始蓬勃發展起來。其優勢最明顯的就是省配線，如果可以用一條網路線就將數以百計的元件連接起來，而不必再以並列傳輸的方式使用數百條傳輸線，將會大幅減少配線時間與電箱空間；另則依照軟體的觀點，每個連上網路的元件都被視為物件(Object)，這些元件的新增與移除就可以用軟體的方式達成控管，而網路化的元件通常也會加入自我診斷的功能，當元件發生故障時，這些訊息可以透過網際網路傳回給主控台，主控台再經由網路檢測出連接上網的元件來監控並回報。網路的自我建構也同時可以減少系統設定的時間，經由監控每部機器的運作狀況所產生的數據，更可提供給企業作為營運參考。 

三種模式架構新世代工業通訊  

在智慧化趨勢下，新世代的工業網路開始啟動，從圖1可以看出，現在OT系統的通訊設計必須包括數位化、雙向、多站等特色。整體來說，現在的發展主要有3種現場總線(Fieldbus)模式：第一種是專用、封閉型，規範由各家公司自行研製，往往是針對某一特定應用領域而設，效率也是最高，但是在相互連接時就會顯得各項指標參差不齊，推廣與維護都比較難以協調。此類專用型工業網路有三個發展方向，第一是走向開放型，使它成為標準，二是繼續封閉系統，保持原占有率，三則是設計專用的閘道器與開放型網路連接。 

圖1 現代化的OT系統的通訊設計包括了數位化、雙向、多站等特色。

第二種為開放型，不過所謂的開放型並非全面無條件開放，通常無條件開放的僅有一些簡單的標準，其他都是有條件開放，或僅對其成員開放。亦即生產廠商必須為組織成員，產品必須經過該組織的測試、認證才可在該工業網路系統中使用。 

第三種為標準型，例如符合國際標準的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或歐洲標準EN50170的工業網路。這些也都會遵循ISO/IEC7498國際標準，亦即OSI 7-Layer參考模型，工業網路大都只使用其中的物理層(Physical Layer)、資料連接層(Data Link Layer)和應用層(Application Layer)。一般工業網路的制定是根據現有的通訊介面，或是自己設計通訊晶片，然後再依據應用領域，設定傳輸格式，例如DeviceNet的物理層與資料連接層是以CANBus為基礎，再增加適用於一般I/O點應用的應用層規範。上述三個種類大致架構出目前的工業網路環境，欲建構者可依本身的需求選擇適合自己的網路設備。 

網路在一般IT領域已蔚然成林，技術成熟度已然足夠，在OT系統上的應用則仍有成長空間，不過近年來藉由智慧製造風潮帶起的工業物聯網，則將加快其發展速度。就目前來看，OT與IT系統所使用的通訊設備有些許程度差異，工業用的通訊設備在設計上會更重視環境的適應度，包括溫度、溼度、防塵、防震等，都比IT的規格更嚴苛。儘管如此，仍有廠商將一般IT設備使用於工業環境，不過如此一來輕則訊號容易傳遞出錯，重則機台當機、產線停滯，因此廠商要建置工業網路環境時，最好還是透過系統整合廠商做整體規畫，以免因小失大。 

工業物聯網　串連四層架構 

除了上述的三種傳統的Fieldbus外，乙太網路在近年被大舉導入OT領域，尤其在工業物聯網架構中，更成為工業通訊不可或缺的一環。在整體工業環境中，目前仍以Fieldbus作為現場層與控制層之間的鏈接，但在工業物聯網系統中，OT架構還往上擴增了操作層與管理層並連接到IT端，而觀察目前發展，雲端會是主要整合的平台。 

從架構面來看，工業物聯網是由四層產業的產業鏈組成。第一層為IoT感知層，感知需要大量的感知設備(Sensing Devices)，而感知設備之間的溝通技術逐漸發展成以無線為主。第二層是嵌入式平台產業(Embedded)，它是一種感知的邊緣(Edge)，物聯網一定是先感知，然後到Edge邊緣。第三層是產業應用，第四層是雲服務，物聯網的雲服務是服務「物」的，應用在工廠、物流、零售等，想要把各個場域的感知器連起來，就會需要相關軟體程式在其中進行大量的運算與整合，協助資料的分析與應用。 

研華技術長楊瑞祥表示，前端的資料蒐集與整合大多是依靠硬體，後端的分析與處理則是軟體為重，他以研華推出的WISE-PaaS平台為例，此平台串連四層架構，主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供設備聯網與無線感測整合的軟體服務，透過WISE-PaaS/WISE Agent資料擷取串接感測器進行資料匯流，與IoT邊緣智慧伺服器(Edge Intelligence Server, EIS)做初步智慧化分析後，WISE-PaaS/EnSaaS連結雲端部署進行指令即時下達，實現物聯網端到雲的快速溝通串流，讓數據從蒐集到歸納，再串連到雲端一氣呵成。 

物聯網時代透過雲端與網路協助整合資訊已經成為常態，楊瑞祥指出，工業物聯網未來將從硬體為主的功能導向，走向軟硬整合的數據驅動發展，透過整合的雲平台將數據分析工作變得更加簡便；另外，因應產業的不斷變動包括規格、標準、產業需求、新興應用等，WISE平台也非常強調彈性「Design for Evolution」概念，期待能透過彈性化的架構與更新機制，滿足客戶對於上述變動的需求。 

由於未來工業物聯網應用層面將會不斷擴大，每個不同的垂直產業差異性很大，楊瑞祥強調，WISE與大型的雲服務平台相容互補，並不是競爭的關係；研華的雲服務可以橫跨支援不同的平台，儘管現在大部分的業務模式還是以硬體計價，但軟體的搭配已經不可或缺。平均而言，單純硬體銷售的毛利都非常低，與軟體有關的雲服務營收貢獻儘管不高，但卻擁有高毛利的特性，部分廠商雲服務占營收9%，但卻貢獻70%的利潤。 

另外，由於物聯網應用的碎片化特性，大型雲平台對於個別產業的特殊需求較難滿足，研華從工業電腦的本業出發，針對IIoT發展許多產業專業應用模組，同時，WISE平台也強調線上/線下整合的便利性，與不同的系統整合夥伴還有客戶進行深入合作，利用IoT找出產業價值，建立、強化核心競爭力，協助客戶技術與產品行銷全球。