為智慧型製造奠基　IoT重構工業自動化體系

工業物聯網(IIoT)常被視為一項革命，深入地改變了產業的面貌。事實上，IIoT是一項源於科技與功能性的革命，在15年以前由具遠見的自動化供應商引領開始。因為必要的全球標準已趨成熟，接下來的15年將可望實現IIoT的全面潛能。在這段期間，產業的改變將會是無遠弗屆。好消息是終端使用者與機械製造商現在可提升他們在科技與人力的投資，同時利用既有的IIoT科技。 

使用「包裝與再利用」方式引進IIoT解決方案，相較於「去除與取代」方法，會讓企業更能掌控。除此之外，這種可衡量的方法能為智慧型製造企業的革新提供更有效、更安全及更永續的解決方案。IIoT大趨勢的出現，已經在負責營運產業工廠的利益相關人之間創造了希望與混淆。早期所炒作的焦點為，科技進步對既有自動化平台的影響。 

然而，其中一項挑戰為要了解IIoT的潛能，必須了解它廣大的應用範圍。例如在智慧企業的控制上，可以看到自我組織的機器和資產使得大量客製化與優化批量規模變成可能。在資產績效方面，來自越來越具成本效益與更具智慧感應器的資料收集和分析，將提升事業績效與資產可用時間。而新世代的「擴增」勞工將會大量應用最新科技，包括行動裝置與擴增實境。另外，利用企業間更易取得的資訊，他們的工作會變得更簡單，並且生產系統利潤更高。 

這些改變有些可在中短期實行，有些需要逐漸演變，而因為國際IIoT標準已經建立，終端使用者與原始設備製造商(OEM)漸漸地在新增他們既有舊系統的功能性。 

智慧型製造興起　企業資訊控制升級 

IIoT視角下的世界是，智慧型連結的資產(物)作為較大型系統的一部分或系統中的系統來運作，共同組成智慧型製造企業。「物」有各種層次的智慧功能性，包括簡單的感應與執行、控制、優化與自動作業。 

智慧型製造企業由智慧機器、工廠與作業所組成，核心中嵌入更高層次的智慧。此連結系統依據開放和標準網際網路以及雲端科技，讓安全使用裝置與資訊成為可能。這讓「大數據」可應用新穎、先進分析工具來處理，行動科技也因此產生更大的商業價值。如此一來，可以反過來改善效率及獲利能力、提升網路安全和創新，而更能管理安全、績效以及降低二氧化碳排放的影響。 

儘管IIoT的長期影響有時很難預測，有三個不同的營運環境為智慧型製造企業奠基。 

・智慧企業的控制 

IIoT科技造成智慧連結機器和智慧連結製造資產與更廣大企業之間更緊密的整合。這促進了更多彈性與更高效率，因此製造利潤更高。智慧企業控制可以視為中長期趨勢。執行很複雜，並且必須建立讓資訊科技(IT)及操作技術(OT)系統匯聚的新標準。 

・資產績效管理 

具成本效益無線感應器、簡單的雲端連接(包括WAN)與資料分析改善了資產績效。這些工具讓實地收集資料及即時轉變為可執行資料變得容易，這會帶來更好的商業決策與具前瞻性的決策過程。 

・擴增作業員 

未來員工將使用行動裝置、擴增實境與透明連結性來增加生產力。因為越來越多戰後嬰兒潮出生人口退休，更年輕工廠勞工的替換，須要提供方便使用資訊，越來越少員工會分配在以人力為核心的作業。此資訊必須以他們熟悉的即時格式提供。因此工廠變得更以人為中心，而不是以機器為中心。 

儘管這三個領域都緊密相關與互相依存，彼此仍有差異。例如，在同樣的層次上，它們都可以執行，但是鎖定的自動化市場區隔卻不盡相同。 

還有兩個部分，包括協作式機器人和三維(3D)列印，也環繞著IIoT的議題，但是本文並不做討論，因為它們並不是可應用於所有製造企業的特定技術。 

智慧企業控制優化　資訊孤島煙消雲散 

下一世代IIoT系統的最大潛在問題之一，是企業資料孤島打散問題。技術將促使生產系統與企業資源規畫(ERP)系統、產品生命週期管理(PLM)、供應鏈管理與顧客關係管理(CRM)整合(圖1)。今天這些系統彼此獨立，讓企業無法擁有全面性觀點。這樣的全面方法被認為可為企業促成26%極大效益的成長。 

智慧企業控制不代表以全新的系統取代目前自動化系統，而是意味著目前自動化系統與企業、生命週期和價值鏈系統的連結。如此可優化整個製造企業，並且讓企業控制更上一層樓。 

圖1 全面性企業控制將企業資訊孤島打散，並且促成更佳的企業控制。

因為對波動的市場狀況有更多彈性和因應能力，更緊密的結合讓企業不僅更有效率，也更具獲利能力。控制的概念從實體參數的即時控制擴大為整個事業的即時控制，包括實體與非實體參數，因而更能適當管理安全、績效與環境影響。 

智慧企業控制的範例，包括了大量客製化與優化批量大小、減少產品召回規模、在製造流程中更早偵測到瑕疵品和修改產品設計以排除根本原因、依據天氣預報修改生產規畫、依據原料現貨價格更改生產計畫/配方等等。 

資產績效管理應用　解決方案帶來創新 

能源管理與預測性維護等資產績效管理應用，對產業來說並不新鮮，但因成本高而接受度有限。 

就連實體連結性(感應器接線成本)及邏輯連接(與既有系統的整合)成本一度都是問題。所幸有了無線IP連接與雲端架構，目前已經克服這些成本障礙。除此之外，新一代簡單、小型和低成本的感應器已經上市。因此，下一代IIoT系統將可在資產績效方面提供創新的解決方案(圖2)。 

圖2 資產績效加速新績效管理應用的採用，提升大數據與分析和具成本效益的無線科技。

往往許多金錢都浪費在不需要維護的設備上，或忽略持續故障設備而造成意料之外的生產停機時間，對此，可使用有條件型監控/預測維護解決方案，但是礙於成本，應用的情況不多。對此，下一代的IIoT系統將會大幅降低該解決方案的執行成本。 

擴增作業員當紅　標準化步伐加快 

行動人機介面(HMI)技術的使用，例如智慧型手機、平板和配戴式裝置，結合IP取用資料與資訊(分析及擴增實境)將會轉變作業員工作。可攜式無線裝置將會提升能力與技術，例如動態的QR code，將會改善作業員經驗並且讓「擴增」作業員更具生產力(圖3)。 

圖3 擴增作業員更具生產力，因為他們在正確時間收到正確資訊。

作業員目前只能從自動化系統取得資訊。未來，擴增作業員可從各個需要的企業系統取得資訊，並且管理流程績效/效率及流程獲利能力。 

在下一代IIoT被各類製造產業廣為採用之前，有幾個障礙須要克服，其中包括建立IIoT的產業標準、網路安全保護及工作者必須適應新的技能。 

另一方面，若要讓智慧型連接產品、機械和資產可以透明方式互動，就必須制定標準。這不只是簡單的通訊協定，還會涉及標準語義和機制，讓智慧裝置可以互相連結與操作。一些標準如PackML，在此區域中已經可行，但尚不完整並且未涵蓋製造業的所有層面。對此，工業4.0(Industry 4.0)和工業物聯網聯盟(IIC)方案目前正在著手解決標準化問題。 

網路安全當務之急　勞力提升勢在必行 

IIoT的出現，加速了工業控制系統中網路安全的需求。IIoT的複雜性，意味著網路安全必須設計成自動化系統的組成要件。 

工業安全標準的採用與認證，對IIoT發展極為重要，因為可確保安全不只及於個人資產，也涵蓋較大型系統的一部分及系統中的系統。這些認證將與安全認證一樣扮演著類似的角色。遵守驗證，意味著系統中的要素具備了關鍵的安全機制。這些要素由安全驗證團隊以安全的方式組成，並且由經過訓練的安全操作員操作。 

安全驗證的關鍵在於持續性與應用性。在全世界，國際電工委員會(IEC) 62443系列安全標準含括所有安全要素，從產品開發到產品功能、系統功能、提供和操作。值得注意的是，儘管今日有些獨立機構提供IEC 62443認證服務，IEC本身並未將IEC 62443認證授予任何這些機構。 

為使IEC 62443安全標準更為完善，既有的產業標準也變得更為安全。DNP3(Distributed Network Protocol)已經提升為DNPV5，新增安全功能，OPC UA(OPC統一架構)提供顯著的安全提升，Modbus已經提升為Modbus Secure，且EtherNET/IP正在提升為EtherNET/IP Secure。此外，許多IIoT系統正在採用衍生自既有IT標準的安全特色，例如HTTPS、認證與加密/授權協定。 

圖4 設計與操作IIoT系統需要許多新的技能。

除此之外，工作者需要設計與操作IIoT型系統技能，這些技能與操作典型自動化系統不同(圖4)。既有作業員與維修人員必須接受再訓練以管理該系統。好消息是IIoT系統會使用日常生活中熟悉的技術，而新一代的年輕作業員對於新方法的適應不會有問題。自動化供應商的主要挑戰是設計與供應診斷型/調適工具，可快速辨識問題的根本原因，因此可確保製造系統能盡快恢復。 

資訊導向自動化　依據改變快速調適 

因為智慧型製造企業開始實施由擴增作業員所管理的智慧企業控制與資產績效系統，自動化廠商必須在自動化架構中各層次執行IIoT，作為因應。這可以與下一代IIoT系統輕鬆結合。除此之外，因為嵌入式電子產品的功能越來越強，經連結的智慧機能可下移至更低層次的自動化架構中，如控制層次與感應器和執行器。 

因此，OT系統會與IT系統連結，並且自動架構會變得更為平整和更資訊導向。因為未來的發展仍然不清楚，所使用的技術與架構必須具有彈性、能夠依據改變做調適，並且能夠與舊系統整合，而單一、單獨來源的方法和過去架構在未來將不再使用。 

圖5 資訊導向自動化架構

資訊導向科技如圖5所示，此架構含括兩個不同的層次。跨越兩個層次的資訊流是透明的，使用依據產業標準為主的語意與發現機制。兩個層次的說明如下： 

第一，用於即時確定性控制的時間敏感性層次。此層次通常稱為「霧」或「邊緣」層次。然而此層次若使用「時間敏感性IP型」可強調出在此層次中的科技含括企業在雲端層次使用基礎上相同的IIoT科技，但是依據即時決定性溝通優化。 

裝載有此具時間敏感性層次的OT裝置，如感應器、執行器和控制器，必須是雲端就緒，並且能夠與第二層次的IT業系統透明連接。這些相同的裝置也有較高程度的智慧。以含有嵌入溫度、壓力與聲音感應器的控制閥為例，它們能夠在企業所設定的點自動操作、自主判斷預防維修需求，以及即時告知維修部門自身的狀況。 

第二，在雲端企業層次，企業系統如ERP、製造作業管理(MOM)、PLM、供應鏈管理(SCM)、CRM等，與下一代功能如資產管理、能源管理和雲端就緒系統將相互合作。 

上述「雲端」一詞泛指所使用的科技，而不是設施的實體位置。有許多原因讓大家認為在工業自動化的企業中，「放在辦公室的」雲端(通常稱為「邊緣」)是最常使用的架構。 

集中抑或分散　智慧管理新思維 

高度集中備援控制系統與高度分散控制系統的擴增已經採用多年。各個架構的支持者都以有效的論點激昂地為其觀點辯論。 

IIoT的來臨並未解決此長期對立的爭辯。一方面，現場裝置使用具成本效益的嵌入式電子產品，被認為是智慧與控制分配的有效方法。另一方面，現場裝置的高速IP連接性允許建立更集中的架構，將所有感應器與執行器連接至位於安全的辦公室內資料中心的高度備援與強力多核心處理器。 

目前的一項應用為使用特定的硬體目標進行程式化，例如可編程邏輯控制器(PLC)。未來，應用將會使用獨立鎖定自動化的硬體，系統將透明分配至硬體，自動組態所有通訊機制。這個方法讓使用者選擇高度集中分散架構或依據其特定規定與考量的混合方法。有一個分散控制系統(IEC 61499)可以協助此工作，可作為IIoT分散控制標準的基礎。 

現場的智慧分配讓智慧連接產品與機器，可以使用標準化格式發布重要資訊。智慧中介機制以透明的方式讓此資訊變成可由所需要的系統和應用取得。這個方法將克服目前的挑戰：資訊位於未知地點，因此只有透過客製化程式才能夠發現或利用。 

網路自動化在即　管理維護挑戰加劇 

網路的智慧連接裝置數目會急遽增加。這些裝置利用時間敏感性IIoT/乙太網路骨幹和其他企業系統中的裝置彼此相互運作。 

連結裝置的數目可從Torresol Energy Gemasolar太陽能廠的範例來看，四千部施耐德電機(Schneider Electric)PLC/驅動裝置透過乙太網路控制太陽能鏡的配置。大規模的網路化裝置呈現許多新的挑戰，不僅是網路管理與績效領域，也包括管理分散式控制系統及其應用的整體組態。 

利用今日典型的自動化技巧執行該大型網路化系統非常複雜，未來的IIoT型自動化系統必須有一個新方法簡化網路自動化的設計、管理與維護。 

IIoT通常被描述為挑戰已知生活的革命。在消費財部分，建立管理與其他系統確實是如此。然而，就跨產業而言，IIoT的應用會更緩慢，因為不同的工業市場部門有其特定需要與獨特的挑戰必須因應。 

(本文作者為施耐德電機策略與夥伴副總)