三大面向剖析應用需求　網路設計為工業4.0成敗拍板(2)

流程自動化監控

(承前文)第三部分將從流程自動化監控的角度，剖析其應用流程，並詳細介紹無線網路必須以特定方式提供支援的原因。控制應用讓工廠、廠房和設施(如發電廠、化工廠和煉油廠)的工業流程實現自動化。流程自動化應用不斷進行量測，並利用量測結果引導流程控制。在流程自動化中，無線網路主要分為兩類：閉環流程控制(即時)、流程及資產監控(非即時)。

閉環流程控制

閉環反饋系統，例如比例積分微分(PID)控制器，通常使用感測器為流程提供即時資料。由於這些感測器將影響流程產出結果，感測器在設計時確保了極高的可靠性(6個9或更高)和準確性。流量通常為週期性，週期極短，約為100毫秒。

流程和資產監控

流程和資產監控包括嚴格控制迴圈之外的其他監控，以捕捉溫度、流量、壓力和振動等變量。針對上述變量進行定期、持續的監控，可提供用於預測、防止停機或設備故障的資訊，並基於安全因素對工廠進行監控。此領域的一些感測器設計成電池供電，運行週期長，因此感測器中也可能使用省電技術。

通常情況下，將多個來源的感測器資料集中在一起能發揮更大效用，因此網路必須能夠應對高密度資料，而且技術必須足夠有效，以便在市場上推出低成本感測器，在整座工廠內自由實作。非即時解決方案通常採用各種工業無線標準，並且往往按照領域劃分標準採用範圍，因此，這些解決方案只能在孤島式的存取網路中運行。

感測器的流量往往是單向的，從感測器到採集器、閘道器或控制器。致動器則相反，由控制器發出訊號指令，透過網路進行控制；最終，這些流量將返回控制器。如果控制器執行的是即時控制迴圈，則會對網路有非常嚴格的要求。

尋求流程連續性

對於閉環控制或非常快速的監控案例，零件和資料的快速流動所帶來的挑戰是，任何嚴重的異常現象都將導致流程失控，因而必須中止運作。停機可能不會花費太多時間，但重新啟動往往十分困難，因為機器、產品流程、資料捕獲和其他流程之間相互依賴，必須正確計算時間，才能重新啟動端到端的工業流程。因此，停機將對財務造成重大的負面影響。

與其按照上述分類對這些案例進行細分，不如看看即時和非即時兩類應用。閉環控制應用也可能沒有即時性要求，例如，若液體在大體積容器中慢慢加滿，當它達到觸發開關致動器或幫浦的門檻時，並沒有100毫秒的關鍵時間要求。然而，在許多相同物品快速流動時，物品品質量測必須達到品質門檻，因此定時(Timing)必須快速且可靠。

即時性應用對於網路的要求如下：

．可用性：6個9以上。

．確定性：高確定性，具有嚴格的定時變量以適應循環模式。

．可靠性：必須採取一切措施以便為基礎設施帶來韌性。

．同步性：通訊平台和工業自動化元件必須實現極高的同步性。

．流量類型：關鍵控制迴圈流量。

非即時性應用對於網路的要求如下：

．可用性：可變，並且不一定需要嚴格的服務級別目標。

．確定性：基礎監控並不要求。

．可靠性：無強制備援(Redundancy)。

．同步性：無，不過在採集器或端點具有時間標記。

．流量類型：定期或觸發式通知訊息、Fire-and-forget。

技術決策的驅動因素

有些使用案例能夠以多種方法、不同技術來解決，技術選擇通常也不是形成最終架構的唯一驅動因素。特別是在棕地環境中，現有的技術和流程可能會影響網路的實作方式。其他額外的驅動因素可能包括：

．利用現有的無線解決方案。

．遵循工廠領導團隊的技術策略。

．以單一技術解決多種用例需求，優化總體擁有成本(TCO)。

．追求簡單和標準化。

．工程設計不願拆除可靠的有線系統。

．財務預算限制。

．可用技能和現有技術負債。

．工業自動化解決方案與無線連接系統選項之間的互操作性。

每次選擇或改進新架構時，都應該仔細分析所有因素，並評估現有可選方案中的知覺風險(Perceived Risk)。商業案例應盡可能使用經驗證據並參考詳細的設計考量。

客製化為核心　工業網路設計須深思熟慮

本文的目的並不是提供明確答案，說明哪種技術適合特定使用案例，以及如何實際執行，這需要業者根據自身經驗來判斷。每種部署方案都存在未知的變數和複雜性，必須考慮量身定制的無線電規畫、棕地系統和專業設計，才能盡可能提高無線網路的性能和可用性。

相關廠商能夠在規畫網路架構時提供協助，例如思科(Cisco)提供用例解決方案和參考架構，可為用戶實現特定成果。重要的是採取量身定制的方法，以確保網路架構將各方面情況考慮在內。Cisco將提供適合的工具箱選項，包括室內、室外和加固型Wi-Fi、超可靠無線網路、5G專網和LoRaWAN。

(本文作者任職於Cisco)

三大面向剖析應用需求　網路設計為工業4.0成敗拍板(1)

三大面向剖析應用需求　網路設計為工業4.0成敗拍板(2)