產業技術評析

一、目前工業控制網路的架構
 

近年在執行產業技術基磐研究與知識服務計畫的研究時，曾針對智慧製造的新興技術進行探討，最終歸納出全球智慧製造發展關鍵議題有四個，分別是：一是OT(生產技術)數據化後與IT系統整合。二是工業機器人擁有加工技藝，可從事複雜的工作，逐漸進化成為具有擬人之檢知、推理、決策的功能。三是結合數位模擬的行為模型，可以根據感測器所蒐集到的數據資料進行運算、分析，產生知能，而且可隨時針對機器運行狀態進行動態調整。四是運用AI讓機器擁有類人的思維意識；機器具有等同人類的行為能力與思維意識，深度學習技術是發展趨勢。其中，OT(生產技術)數據化後與IT的系統整合，被許多製造業者認為是工業4.0的精神。
 

以電子零件PCB製程設備的智慧化進行實際研究發現，今日仍存在幾個問題，第一是設備種類眾多，一個PCB廠的機台設備類型從50種到500種都有；第二是機台設備的同機款版本差異，有第1代…….到第N代；第3是機台設備的工業控制網路通訊的差異，有PLC/PC/OPC等等，而即使是PLC，也有各式不同品牌的差別，例如OMRON, MITSUBISHI, HITACHI, SIEMENS, ABB, FUJI,等等。
 

研究的結論是，目前工廠中所使用的機器人、工具機與產機設備普遍有各自的通訊格式，在智慧製造的趨勢下，一般I/O控制已無法滿足OT與IT數位化整合的需求，須有快速、便利的整合方案。製造業為了生產效率和利潤的提昇，必須實現數據聯結、製程優化、因應大量客製化的本事，這導致了智慧製造的出現，他們要做的不僅是採用數位技術，像過去一樣在各式專用的通訊系統下各自部署自動化，更可能要瞭解新一波數位化技術，藉此突破目前對於實現數位化轉型的侷限。今日特定的工業控制應用，已衍生了各式專用的通訊協定和系統，圖1以業界所稱之普渡模型呈現目前工業控制網路的架構。
 

資料來源：Moxa(2019/05)
圖1、目前工業控制網路架構-普渡模型。
 

以金字塔結構呈現的普渡模型，各個專用的通訊協定佔據不同的層，硬體和軟體有互通性的障礙，因此增加了營運和維護成本，若要邁向智慧製造進程中的透明度、可預測與自適應的話，目前的普渡模型難以實現跨層的系統整合。
 

工業應用中的數位化轉型不僅僅涉及將類比資訊轉換為1和0；尤其是智慧製造的數位化轉型，必然包括各種網路技術和通訊協定，這些技術和通訊協定能夠實現無縫通訊，提高從感測器到具有人工智慧的工業機器人等各種設備的可視性、透明度、可預測、自適應。
 

所以必須要掌握生產過程中來自於廠區的感測器和機台設備所截取的資訊，並進行即時處理，以做出決策。智慧製造的目標之一是讓設備端逐步串接，衍生出聯結(connectivity)、資訊流(streaming)、管控(control)的整合型管理模式，亦即把產品設計與量產規劃、企業內部的生產活動、生產資訊聯結運作、企業營運管理資訊體系這四個系統整合，展現生產效率。
 

因此，打破互通性障礙的統一架構、一個無縫連接的系統在近年不斷受到探討；如圖2所示，一個新的普渡模型。它的結構精神就是將工業控制網路形塑成一個無縫連接的系統，讓小規模、靜態和隔離的控制環路演變成大規模、動態和開放的環路通訊，讓各種軟體、應用程式和實體元件、機台、設備緊密結合，這是實現智慧製造中強調的網宇實體系統(Cyber-Physical System，CPS)的重要途徑。
 

二、時效性網路(Time-Sensitive Networking, TSN)
 

目前工業控制網路使用的乙太網路技術採用封包式傳送，生產製程中的資料以封包的形式被傳遞，被垢病的問題是不一定保證被傳遞送達；工業控制應用需要更高的可用性、零封包遺失、更低的延遲。未來的普渡模型得建構一個大規模、動態和開放的環路通訊，就是需要保證確定、即時的通訊功能，且優於目前各個自動化孤島的各種專用通訊協定。
 

國際標準組織和自動化技術供應商已經體認到，必須為未來的普渡模型奠定一個新的工業控制網路架構。因此，時效性網路(Time-Sensitive Networking, TSN )被提出。TSN為工業網路奠定統一基礎，它是網路技術的整合，提供工業系統所需的時間同步(例如，對齊的音頻和視頻或機器人手臂一致地移動)與及時性(確定性及可預測的行為)。TSN 標準確保了高時效性的重要資料可以透過標準網路基礎設施準時傳送出去，能讓生產現場所蒐集到的數據被清楚的溝通。
 

資料來源：Moxa(2019/05)
圖2、未來的普渡模型。
 

三、TSN是工業乙太網路技術發展的下一進程
 

隨著工業物聯網的持續普及，資料量越來越多、網路分布越來越廣，因此需要新的標準以便共用並傳輸關鍵資訊。標準乙太網路無法保證資料傳輸，為了滿足製造業未來在工業應用的高可用性和低延遲要求，工業乙太網路技術必須不斷發展。在主流通訊協定之上，建立符合國際規範的設備資訊模型。設備資訊模型是將設備的物理組成或使用上的操作邏輯，轉化為資料描述，讓使用者可以快速瞭解與應用。
 

TSN是工業乙太網路技術發展的下一進程，一旦所有設備都使用共通的通訊協定與資訊模型，則不同設備之間即可做到互溝通、互操作的機對機能力。TSN將使傳統乙太網路具備即時性這一點成為可能，除了即時能力和確定性之外，TSN還有另一項優勢，網路通訊能力使得TSN能以10Mbps、100Mbps、1Gbps或10Gbps的速度運作。
 

四、結語
 

工業革命以來，製造業一直在找尋提高生產力的方法。從生產機械化、生產自動化，到生產智慧化；上個世紀的80年代，製造業開始採用數位技術於生產過程，將類比訊號、聲音、影像、文字和其他資訊轉換為電腦可讀取的格式。數位技術一直在改變產業的本質，直至今日，製造業把資訊與網路技術的整合做為生產效率和利潤提昇的手段。
 

一般來說，過去的機械設備缺乏共通的數據傳輸標準，控制器或設備廠各自建立數據傳輸標準，導致不同品牌或型號的機台，彼此無法互相溝通，更難與上層的管控系統雙向溝通，此狀況已成為製造業者邁向智慧製造的主要障礙。所以須先應用國際主流的聯網通訊協定，快速的導入通訊建模軟體，並透過與OPC Foundation 國際組織提出的OPC UA(Unified Architecture)通訊協定整合，整合工廠設備與應用系統，使遍佈在各地的設備於各種應用環境均能聯網，讓設備使用者可以快速取得與應用上的資料。而設備須向上連結MES、ERP、製造營運管理、品質管理以及工程分析等各種類型的資訊系統。在這樣設備與管理系統之間能相互溝通的基礎上，製造業才能建設網宇實體整合的智慧工廠。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)