物联网智慧工厂

• 关键词：物联网,智慧工厂
• 摘要：物联网的出现已经开启了制造业的第四次工业革命(Industry 4.0)，从传统的“自动化”迈入以物联网为基础的“智动化”生产模式，从半自动化或单机自动化设备进步到基于网络的机器对机器(M2M)及机器对人(M2P)的沟通方式。如果再进一步与企业的信息系统及数据分析技术相结合，将可创造出智慧工厂无限的可能。

背景

物联网的出现已经开启了制造业的第四次工业革命(Industry 4.0)，从传统的“自动化”迈入以物联网为基础的“智动化”生产模式，从半自动化或单机自动化设备进步到基于网络的机器对机器(M2M)及机器对人(M2P)的沟通方式。如果再进一步与企业的信息系统及数据分析技术相结合，将可创造出智慧工厂无限的可能。

借助物联网趋动的智慧流程，智慧工厂将可减轻对人力的依赖、改善生产过程的精准度、正确度及效率、提高产能与质量、降低成本，最终增强企业的市场竞争力。

根据国际数据信息(IDC)发布的市场研究分析，全球制造业潜在的物联网市场规模到2018年时将达到9,130 亿美元，相比2014年的4,720亿美元，年平均复合增长率(CAGR)达到17.93%，在整体物联网市值14.4兆美元中占比最高，达27%。

此外，网络设备公司思科(Cisco)评估，全球制造业所使用的6400万台机器中有92%的设备尚未联网，遍布在各地的生产线上。理论上，要推动生产智动化最理想的方式是直接把这些机器更换成新的智慧化机器，但对许多考虑成本的制造业者而言，这并非务实之举，因为他们已经投资大笔资金在既有的生产设备和自动化机器上，这些既有的设备必须使用多年才能收回成本。

因此，比较可行的解决方案是在可接受的预算范围内，设法让既有设备能够联网，进而整合到智能工厂系统中，以搜集这些设备和机器的运行数据并加以分析。

挑战

以物联网为基础的生产制造环境结合了厂区的操作技术及管理层的信息技术。前者是通过网络串连各项设备与装置，实现机器自动化、制造执行系统(MES)、环境监控、能源管理等工作；后者则是指管理层使用的信息应用系统，包括企业资源规划系统(ERP)、客户资源管理系统(CRM)以及各种不同的信息分析工具等这些元素一旦连接在一起，会产生各种支持多个子系统的虚实整合系统(CPS)。在此类应用情境中，系统运行必须十分稳定可靠，而各个设备和应用系统之间流动的数据则必须十分安全，并且达到最小的延迟。因而，网络连接性和有效率的数据流是智慧工厂最基本的要求。然而，欲将厂区既有设备和其他资产连接上网络，却面临着多重挑战：

■传统的技术零散且难以整合

自从自动化生产问世以来，已发展出各种各样的技术及标准，混杂于生产线的操作中，即使同一家公司不同厂区的生产现场，也可能部署了各种不同标准的设备。但工业4.0的概念，是将各项单独的生产元素通过网络整合串连，而获取对于管理或操作决策而言十分重要的信息。不幸的是，现实中有许多阻碍，智能工厂的实施者面对如下的困难场景：

. 厂区里常使用的各种控制器，包括可程序化逻辑控制器(PLC)、以PC架构为基础的可编程自动控制器(PAC)及嵌入式的微控制器(MCU)等，往往是由多个不同供货商所供应，使用的技术也不一样。

. 从过去到现在，许多PLC供应厂商使用不同的通讯标准连接 PLC和现场总线，有些厂商还自行发展自用的标准。即便有某些标准在市场上追随者众多，也未能成为唯一的标准。结果就是同一生产现场需同时部署多个通信标准以支持各家厂商的设备。

. 甚至有些生产设备连传统局域网络端口或串行端口都没有。

■OEM厂商的知识产权保护

原始设备制造商通常不愿提供设备操作协议的原始代码，以保护他们的知识产权益。这使得整合不同设备成为完整系统的工作横生阻挠。甚至有时提供设备的公司已经解散。

■客户拒绝对既有系统进行重新配置

生产设备的管理者常常拒绝系统集成商对既有系统及设备的软件内容进行增减或调整。

■数据的实时性无法满足客户要求

虽然许多既有设备采用 PC架构并可产生纪录文件，但这些纪录文件并非实时产生且数据经常缺漏。而且不同的设备厂商提供的纪录文件数据格式不一，使得数据复写和系统扩缩变得复杂。

策略

工厂建设与投资的金额往往相当巨大且费时，因此将工厂既有设备转变成基于物联网的智慧工厂时，必须从多个角度进行考虑，且思考的角度应当具备以下特点：

■解决方案应具通用性和可扩展性

新的智慧工厂必然需架构在通用型的技术架构上，非独家厂商的秘密配方，以避免过去各家技术无法整合的痛点。更重要的是，这个架构必须是可以弹性扩展的，不用担心因为产能需求新增机台后，无法维护。

■成本效益

对于许多正考虑实施智能工厂连网的制造业厂商而言，考虑的第一重点自然是最终效益能否大于付出成本，这对于流程比较复杂的工厂尤其重要，因为这类工厂往往已经购置了许多昂贵的生产组件，他们会希望设备能一用多年，以回收投资成本，最好不需要为了构建智慧工厂而停机，或是停机时间越短越好，如此可提高制造业厂商实施智能化工厂的意愿。

■实时数据的采集

对于支持物联网的系统而言，取得实时信息决定了未来营运模式能否成功。因此，信息的取得必须实时，以支持重大且立即的决策。

■降低甚至无需更改既有设备的配置

为了减轻对客户资产造成的冲击，解决方案的部署最好对既有设备的软硬件只进行较少或零调整，以避免造成不稳定或损害，并将停机时间降到最低。

■数据传输带宽最大化

随着越来越多生产组件被连接到物联网系统，将有更多数据需要在更短时间内完成传输，网络带宽的有效利用（最好大于85%)就越发重要，以容纳更多的连网设备。

■动态发现

对于实施物联网的工厂而言，产能与营运决策息息相关，设备配置和流程经常必须调整，因此物联网系统必须能提供动态发现功能，使得生产组件和流程重新设定所需要的时间可以缩到最短，以减少调整时的整体停机时间。

■可扩展且可靠

物联网系统既然必须连接大量设备，理想的解决方案应该具备最大的可扩展性，以有效管理各种元素组态并支持未来的系统扩展，且所有元素必须以可靠的方式连接，才能支持高时效性与关键任务的应用。

■知识产权保护

不同于传统单机设备，物联网系统一旦上线，数据便暴露在风险之中，因此智慧工厂解决方案必须整合有效的保护措施。

■弹性化的虚实整合系统(CPS)架构

虚实整合系统(CPS)结合信息与通信技术、数据与实体元素，并串连各个设备的功能，而能实现既有设备的互联和智动化。这项新的IT技术使得传统拼接式、孤立的生产设备得以整合、转型成灵活的、无缝接轨的系统体系(SoS)，从而符合用户的生产流程需求。从各个子系统搜集得来的数据可自发地、实时地、在任何时间内，在系统内分享，进而实现智能制造。有别于传统的5层架构，基于发布/订阅(Pub/Sub)机制的虚实整合系统(CPS)可以自发地、实时地，在任何时间内共享数据，实现智能制造。

解决方案

凌华科技结合经市场证明的技术专业度、以及多年来耕耘自动化、通信、工业计算领域的经验，所提供的产品，其整合性和功能在出厂前都会经过充分验证，让OEM厂商的解决方案得以快速上市，无需经过冗长调整及测试过程。凌华科技智慧工厂解决方案可加速尚未联网的工厂棕色地带(Brown Field)变成绿色地带（Green Field），打破达到工业4.0标准的障碍，让工厂通过以工业物联网为基础的智能制造，优化生产作业、提升效率和利润。

凌华科技的解决方案产品包括：

网络与通信

嵌入式计算机

量测与自动化

■MXE-200i系列物联网网关

MXE-200i是加固、可靠、应用就绪的嵌入式边缘计算机，可协助已经安装了传感器的工厂设备或其他资产连接到其他网络边缘设备、以及（或）云端应用系统并分享数据。MXE-200i搭配Intel Atom.E3826处理器，支持 Intel.物联网网关科技(Intel.IoT Gateway Technology)解决方案，同时预安装WindRiver.IDP XT 2.0/3.1智能型设备平台，可实现完整的物联网功能。MXE-200是目前市面上加固性最高的嵌入式物联网网关，适合应用于严苛的环境，并符合工业等级的防止电磁干扰和电磁耐受性标准(EN61000-6-4,61000-6-2)，可保护客户的资产并降低整体拥有成本(TCO)。

■Matrix MXE-5500系列无风扇嵌入式计算机

MXE-5500系列为四核的加固型无风扇计算机，搭配第六代Intel. Core. i7-6820EQ/i5-6440EQ/i3-6100E处理器，计算能力较前一代CPU大增30%，图形指令周期也快30%，且具备硬件媒体编译码器，可支持4K超高分辨率显示，性能优越。

凌华科技是Intel.物联网解决方案联盟高级会员（Premier）之一，产品支持Intel.的物联网解决方案架构，并搭配凌华科技新近并购的网络软件公司PrismTech，提供以DDS标准为基础的硬件和工具，完整供应DDS平台物联网的云、网关、雾所有需要的产品。

凌华科技完整的端到端(end-to-end)平台解决方案，能满足物联网部署的所有需求，提供易于部署与使用、成本效益高的产品组合，可在几乎所有制造业环境中成功建立物联网所需的网络连接。

参考案例

Intel.近来与某些顶尖的电子工厂合作，展开一项智慧工厂先导计划，希望提供一个由网络连接的智能化生产环境的示范模型，而在不久的将来进行扩大推广。一家电子工厂被选中作为示范工厂，目标是将该工厂既有的生产线设备连接到网络，以改善生产质量与效率。这项示范工厂使用的工业物联网平台由 Intel.和凌华科技共同提供，凌华科技是Intel.物联网解决方案联盟(Intel. IoT Solutions Alliance)的高级会员（Premier）之一。该工业物联网平台实现了：

. 从工厂既有生产组件、新增设备及数据分析平台有效地获取数据

. 整合既有组件成为全套的智能生产线

. 串连整个生产环境的安全稳定网络联机

. 客制化的物联网平台，提供边缘、云、车间、ERP等服务，支持大规模生产工作的优化。

因此，本方案在生产端安装了许多远程终端及远程控制单元(RTU/RCU)，以方便从未连网的既有装置和设备获得控制和操作数据，再通过部署了数据分布式服务(DDS)软件的物联网网关将数据传送到后端平台，而实现生产作业的远端实时监控。

从生产线采集的原始数据报包括了机器名称、材料编号、编程名称、标准参数、生产统计、生产成功/不良计数、机器状态、指示灯和告警代码信息、所有统计数据的运行时间以及其他相关信息。

为了确保整体网络联机的安全和可靠，本方案选用基于DDS标准的数据分发平台。以发行/订阅的通讯架构为基础的DDS平台，具有扁平化、简单、解耦、分布式架构的特色，可以进行点对点的通信及多播功能，无需通过中介设备，也因此可消除因单一节点故障造成的网络等待时间，对于需要高度时间决定性的应用系统而言，DDS可提供绝佳的可靠性和可扩展性。

系统会纪录生产在线的产量与零件使用，并就生产过程中的半成品进行质量检验分析，就各生产系数、所有会影响质量和安全的因素进行实时报告。用户并可自行设定警戒系统的警戒参数。

一旦有警报发布，会马上上传通知给管理系统以及所有受影响的工作站，让相关人员或工作站采取适当措施，避免错误的操作持续下去而造成生产线瘫痪或停摆。

当系统累积到足够的历史数据，即可开发问题预警功能，从而协助产生主动的、先发的维修作业，避免设备在操作中发生故障，防止宕机或将宕机时间缩到最短。

同时，通过积累品管检测的数据，系统还可产生模式来改善检测准确度，避免因错误的检测而造成的生产上的损失，进而能改善产品良率。

■关于凌华

凌华科技凭借其产品和平台，引领边缘计算产业。无论是互联网还是企业 IT/OT网络，凌华科技都可以为您提供网络边缘计算的能力。为了满足数据决策(Data-to-Decisions)的主要目标，凌华科技提供了相应的解决方案，不仅能够为工业物联网(IIoT)应用提供互联互通的解决方案，而且还能简化其设计、开发和部署。

通过整合卓越的计算能力，坚固耐用的设计，高可用性和工业I/O，凌华科技已经在业界建立起自己的品牌优势，可提供高可靠、高质量和高性价比的产品和解决方案，帮助全球客户缩短产品上市时间(TTM)，同时通过客制化和系统集成的优势，为客户有效降低总体拥有成本(TCO)，保持低制造成本并延长产品生命周期。

凌华科技是Intel. Internet of Things Solutions联盟高级会员(PremierMember)，并且积极参与多个标准化组织，包括PCI工业计算机制造商协会(PICMG.)，PXI系统联盟(PXISA)，VMEBus国际贸易协会(VITA)，嵌入式技术标准化组织(SGeT)，欧洲电信标准协会(ETSI)和开放计算项目(OCP)组织。

凌华科技是一家可提供本地化服务的全球性企业，总部位于中国台湾，在台湾和上海设有生产制造中心，研发与整合事业则位于中国台湾、中国、美国、德国；销售与服务支持据点遍及世界各地。凌华科技通过了ISO-9001、ISO-14001、ISO-13485与TL9000认证，并已成为台湾证券交易所的上市公司(股票代号：6166)。凌华科技的产品遍布5大洲40多个国家，提供遍布全球的分销网络和办事处，全球员工人数超过1600人。

■关于Intel.物联网解决方案联盟（Intel. Internet of Things Solution Alliance）

凌华科技为Intel.物联网解决方案联盟高级会员（Premier）。Intel.与该联盟全球400余个会员合力提供具有可扩展的、可互操作的物联网解决方案，产品涵盖模块化组件到现成的系统，可加速智能设备和端到端分析的部署。联盟会员通过与Intel.及其他成员的密切合作，以最新的技术进行产品创新,可协助系统开发商提供市场最新最快的解决方案。详情请见：intel.com/iotsolutionsalliance