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智慧機械互通為當務之急　IIoT通訊協定奔向標準化

2017-01-09

黃勇益

智慧機械設備之間遵循共同通訊協定之標準化，是目前設備廠商與軟體業者所關心的議題，透過通訊協定標準化，可讓設備廠商有所依循，並藉由通訊協定來善用後端雲端系統的資源，本文將討論國內外廠商設備及工業物聯網通訊協定標準化的現況。

智慧機械領域可以粗略地劃分為四個區塊，包含機械設備製造、產業加工製程、生產流程管理、工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)資通訊匯流(圖1)。其中，機械設備製造區塊代表著工廠的實際運作硬體裝置，包含工作母機、機械手臂、自走車、其他自動化設備等等，這些加工設備主要追求高精度與高效率，如何能在使用多年後依然保持其加工精度是最大的考驗，也是高價機種品牌訴求的重點。

圖1 智慧機械四大構面

而產業加工製程區塊內，涵蓋製造業多樣化的製程或工序，相同的產品透過不同的工序設計來避免重複精度的誤差疊加造成不良品產生，這也就是追求生產線的品質因素，影響成品的良率的關鍵因素。

生產流程管理區塊則是涵蓋企業經營管理與生產製造管理，通常會與企業資源計畫(ERP)系統、製造執行系統(MES)息息相關，ERP掌握公司產、銷、人、發、財等五個環節，MES掌握工廠產能與訂單執行狀況，可以應用在接單依據、交期預估等效益上。接下來本文則將聚焦於工業物聯網資通訊匯流區塊的介紹。

智慧機械資通訊火熱 Mazak SmartBox搶市

近年來，日系廠商對於資通訊技術的應用相當火熱，其中Mazak、Okuma在此區塊的重視程度可以從近兩三年的工具機展場發現。Mazak SmartBox在2015年初次展出，主要用於即時性生產數據監控並提供安全性的傳輸，對外遵循MTConnect通訊協定標準。

Mazak SmartBox是軟體整合商MEMEX和網通設備商思科(Cisco)三方合作的產品，由思科提供Layer 3 Switch建立SmartBox與機台設備之間的連接，透過網路層的傳輸強化中間的安全性，再由MEMEX負責監控與協定轉換的軟體整合工作。

在SmartBox內部也建立了基本的設備稼動率計算、工件完成進度預估等運算工作，此概念是霧運算(Fog Computing)的導入，有別於傳統集中式平台的架構，而是將龐大的運算工作以分散式架構擴散出去，藉此降低中央系統的負擔，也能加快反應速度，後續可以建立具備即時性的應用服務(圖2)。

圖2 Mazak SmartBox外觀與功能

Okuma開放App Store App擴充控制器功能

Okuma App Store是針對新一代的控制器架構(OSP-P Control Open Architecture)使用控制器作為載具(圖3)，Okuma官方網站建立多樣化的應用服務App，終端使用者可以直接透過網路下載或者通用序列匯流排(USB)介面安裝App程式來擴充控制器功能，應用服務可以增加硬體裝置的加值應用，其種類可以區隔為以下三類：

．機台加值

包括警報OSP Alarm App、MTConnect App等等。

．零組件加值

包括內部冷卻系統App、夾具監控Part Flip App等等。

．輔具加值

例如刀具量測儀器App、機械手臂App、Renishaw GUI App等等。

圖3 Okuma App Store外觀與功能

機台加值類主要用來提升控制器本身的特色，例如Alarm App可以在機台發出警告訊息時，對於控制器畫面進行截圖並且傳送電子郵件作為提醒；MTConnect App則可以將控制器訊號轉換為MTConnect通訊協定相容的傳輸格式，且基於HTTP協定，用戶端以XML格式進行存取。

而零組件加值類可以呈現內部零組件的運作情況，例如Coolant Monitor App是針對於內部冷卻系統進行即時監控並且做出警告提示，Part Flip App為針對夾具在執行加工前檢查是否啟動足夠夾持壓力。

輔具加值類則是與外部的輔助工具一同運作，例如刀具量測App能夠針對Blum與Renishaw的刀具儀器進行進階的設定。另外，機械手臂App可以對ABB手臂裝置進行組態設定。

監控工作母機運作 TrakHound支援CNC

近年來，在智慧製造的議題發酵後，許多開發社群也開始發展製造加工廠域的系統軟體，以最熱門的程式專案託管網站Github為例，若查詢MTConnect就可以找到七十幾個專案。在IMTS 2016就能夠見到TrakHound專案在Okuma攤位展出，現場可以看到透過TrakHound以遵循MTConnect的方式取得工作母機的運作資料，並且也提供行動裝置的監看軟體App。

TrakHound是一個開放原始碼專案，遵循GPLv3授權方式，可以免費使用與重製發布(圖4)，TrakHound發展包含生產現場擷取軟體TrakHound-Community負責與終端設備進行資料擷取，目前支援MTConnect的機台以及FANUC、Haas、Heidenhain等電腦數值控制(CNC)控制器，而TrakHound-Cloud與TrakHound Mobile實現行動裝置的存取架構。

圖4 TrakHound Open Source Project

結合地面/雲端系統生產設備全面串聯

生產線場所的設備實際運作狀態目前並沒有全面性地與上位(地面)系統或雲端系統串聯，因此也造成無從分析產線運作狀態，更加無從改善生產流程。猶如醫師要診斷病人的病情必須透過聽診、觸診等過程取得心跳、體溫等生理資料，才能進行診斷判別病情並且對症下藥。

在工廠環境內也是一樣，必須取得生產設備運作狀態，才能夠找出生產瓶頸並著手改善。目前，在生產端通常使用Gateway軟硬體來進行設備之間通訊協定轉換的水平整合，但仍然缺乏一個與MES/ERP/Cloud聯結的垂直整合標準(圖5)。

圖5 水平整合、垂直整合缺口

可透過手機成功發展的模式來解釋物聯網的方向。手機硬體載具由於軟體框架的成熟(如iOS、Android、Windows Phone)，因此可以使用雲端系統服務，對手機硬體增加軟體應用，因而帶動手機的銷售需求。同樣地，在物聯網環境中亦想要複製此模式，透過擬定軟體或硬體的標準平台來使用雲端服務，改變傳統系統架構(圖6)。

圖6 手機成功模式 VS 物聯網發展模式

根據工業網際網路聯盟(Industrial Internet Consortium, IIC)針對物聯網的報告指出，目前物聯網面臨許多的困難，其中排名第一的挑戰即是缺乏一個互通性的通訊標準(圖7)。IIC是由AT&T、IBM、英特爾(Intel)、思科、通用電氣(General Electric, GE)等公司注資成立，母公司為OMG(Object Management Group)主要任務為加速工業網路技術的開發與普及採用，開發多樣化的測試平台(Testbed)催生工業物聯網的應用服務產生。

圖7 IIC 2015年調查報告結果

物聯網萬物相連通訊協定居間折衝

物聯網(IoT)可以粗略區分為資訊科技(Information Technology, IT)與運營技術(Operational Technology, OT)兩個發展方向，IT系統主要代表強調運算能力、儲存、安全性等特性，而OT系統則代表以即時性、控制精準為主要訴求。

IoT=IT(Information Technology)+OT(Operational Technology) IT系統標準制定聯盟大大小小為數不少，其中較具規模的組織可以分為四大陣營，包含Linux基金會(Linux Foundation)推動的開放互連聯盟(Open Interconnect Consortium, OIC)、高通(Qualcomm)推動的AllSeen聯盟、蘋果(Apple)的HomeKit、Google主導的Thread Group(圖8)。其中OIC與AllSeen在2016年已經合併並重新更名為開放互連基金會(Open Connectivity Foundation, OCF)。

圖8 主要標準制定聯盟分布

各陣營各有主推的軟體框架以及採用的通訊協定，而廠商可以粗略分為三類，各類廠商主要皆為延伸主力產品的應用範圍(圖9)：

．設備商

增加終端裝置的加值應用，控制周邊裝置，例如三星(Samsung)、蘋果。

．軟體商

延伸雲端系統的應用領域觸角，包括Google、微軟(Microsoft)。

．晶片業者

從晶片設計競爭延伸至硬體平台，包括聯發科、高通。

圖9 工業物聯網通訊標準發展分布

OT系統的發展主要與裝置控制相關，包含可程式邏輯控制器、工具母機、機械手臂、智慧電網、無人機等等，推動的通訊協定從傳統的標頭式通訊協定，逐漸走向服務導向架構(SOA)，其中包含OPC UA、MTConnect等。

通訊堆疊劃分層級逐步打造物聯網環境

近來關於物聯網通訊技術頗多，對於通訊技術依然可以使用傳統的通訊堆疊來劃分層級，實體層的發展出現許多有線、無線傳輸技術，尤其以低功長距離傳輸技術發展最為熱烈。

此外，還有類實體層的許多嵌入式小開發板模組的出現，但是目前並沒有出現革命性的應用服務。而資料連結層的改變，則是從Ethernet改變為EtherCAT、CC-Link、Profinet等通訊介面，目的是改善其訊框的傳輸即時性，此層級的改變有其關鍵性，因為許多即時性的應用服務(如設備診斷)都需要資料傳輸的即時特性滿足後才能順利展開。

另外，就屬應用層競爭發展最為激烈，包含許多標準聯盟推出許多軟體框架(Software Framework)，在系統上是一種類似中介軟體層的角色，裡面也制定相關的通訊協定，例如MQTT、CoAP(圖10)。

圖10 物聯網通訊技術堆疊分布

Modbus通訊協定普遍新興格式發展雨後春筍

Modbus是工業自動化設備最普遍的內建通訊協定，從1979年開始制定，歷史悠久使用廣泛，包含RTU、ASCII、TCP三種通訊格式，實體層介面透過串列埠或乙太網路，最初主要應用在可程式邏輯控制器(PLC)、遠端輸出入控制(RemoteI/O)。

傳統的工業製造的通訊協定預想工廠是一封閉網路，所以並沒有對於資料傳輸安全性有較多的設計，若要增加安全性機制，僅能在通訊協定上層級來額外實作，但是會影響到整體系統之間的相容性。

Modbus在傳輸上基於Request/Response模式，在取得即時性資料時須要進行輪詢(Polling)動作，此種傳輸機制在資料變動頻率較低的情況時會耗費較多網路頻寬(圖11)。此外，Modbus對於設備的動態搜尋(Discovery)機制並沒有設計，使得必須是Master/Slave兩者預先達成位址設定才能進行通訊，相反地，在一些新提出的通訊協定上都可以看到這些進階機制的定義。

圖11 現場總線Modbus缺點列表

以通訊協定的封包格式與傳輸特性來區分，可以分為標頭式、繞送式、模型式(圖12)。標頭式通訊協定主要是基於Request/Response模式，一問一答形式在傳輸架構上相對單純，但是有著許多通訊機制的不足之處，包含安全性、完整性、傳輸效率、動態搜尋、隨插即用等等，在未來的物聯網趨勢下勢必要做出改善。

圖12 通訊協定封包格式分類

而繞送式通訊協定指的是傳輸架構中包含Message Broker角色，作為訊息的轉傳中繼站，Message Broker可以進行訊息的佇列暫存，確保訊息一定能夠傳送給接收端，即便接收端目前處於關機狀態，等待接收端下一次開機後便將訊息傳送，如此增加訊息的保證傳輸特性。

至於模型式通訊協定，則通常採用服務導向架構，基於HTTP協定以上另外搭配簡易物件通訊協定(Simple Object Access Protocol, SOAP)、WebService等技術，可以與瀏覽器的技術發展銜接且容易突破防火牆等優勢。

整合是大勢所趨通訊標準化箭在弦上

設備搭載標準通訊的優勢眾多，包含可使用第三方資源作為開發基礎，透過專案託管平台(如Github、SourceForge、CodePlex)找尋適合做為參考設計的軟體套件，協助產品的架構設計。

此外，自家產品也可以與其他家產品具備互通性，客戶容易進行系統整合開發工作；以工廠的角度來說，通常會外包系統整合廠商進行設備聯網工作，系統若不具備標準通訊特性，日後欲增加功能或進行擴廠動作，勢必須要綁定原廠商二次施工，或是須要談妥資料拋轉動作方式，如果廠商不幸倒閉，系統資料將無從取出前功盡棄；其他通訊標準化的優勢包括良好的傳輸特性、新技術的承接等等。

在工具母機裝置方面，由於控制器長期由發那科(FANUC)占據過半數的市占率，而發那科採用的是單機系統封閉方式，間接達到通訊安全性，是一種較為特殊的情況。

其中，使用開放原始碼套件時，應該特別注意授權方式，從嚴謹到寬鬆的程度依序為GPL(General Public License)、LGPL(Lesser General Public License)、BSD(Berkeley Software Distribution) License、Apache License，其中BSD License與Apache License允許重製開發的軟體可以免去隨附開發原始碼的難處，是在進行產品化商業行為時，一般廠商較能接受的授權方式(圖13)。