如今,嵌入式和工業控制工程師都很熟悉建設新製造工廠所需的許多概念和物理元素:預測性維護、雲端連接、邊緣運算(edge computing)、霧運算(fog computing)、智慧和無線感測器,以及閘道器。問題是既要在舊系統上安全、可擴展和高性價比地實現上述概念(棕色地帶部署,brownfield deployments),還要相信從封閉的專利製程轉移會帶來預期的進步。

好消息是設計人員和設備管理人員已不再孤單:有數十年歷史的老舊工廠升級所需的設備、資源、技術和合作關係都在快速進步,而將後端營運技術與前端分析決策連接起來。儘管初創公司很多,但在工業物聯網(IIoT)時代,通常還是要依靠傳統的程序控制設備供應商領頭,在更換其產品的同時提供經驗。

洛克威爾自動化(Rockwell Automation)是富士康設備的老供應商,已與該公司簽約合作,以期在新的全球電子裝配營運設備中實現互連企業和IIoT概念。

Rockwell Automation已向我們示範了先進的資料擷取、分析和建模如何提高生產率。例如,Kraft Heinz採用Rockwell Automation的Pavilion8模型預測控制(MPC)軟體更新了其老舊的Ore-Ida洋芋片生產設備,過程效率提升了10%,在12~16個月內即可獲得技術投資回報(圖1)。

20180409NT01P1 圖1 Rockwell Automation的 Pavilion8模型預測控制軟體結合了許多改進生產過程的必備元素。(圖片來源:Rockwell Automation)

Pavilion8是一個模組化的軟體平台,其模組控制和分析生產系統的各個方面。但其核心是一個混合過程模型,它基於實況工廠測量,結合多變數過程模型與經驗知識來確定未來控制行動。這有助於在隨時間改善性能的同時,顯示確保操作符合製程要求。

所需開放平台與互通性

儘管Rockwell Automation和其他公司提供的軟體和過程管理工具,使我們在實現更具預測性的工廠環境方面邁進了一大步,但工業和技術發展很快,成本也高。同時,從Cree和博世(Bosch)到西門子(Siemens)、Honeywell和施耐德電機(Schneider Electric),這些元件和程序控制供應商都在以自己的方式迎合客戶的需求。這使客戶在能夠利用最新技術的同時,要求利用更開放的可互動操作軟硬體平台以降低成本。

這種需求迫使艾克森美孚(Exxon Mobil)發起了開放過程自動化論壇(Open Process Automation Forum),該論壇現由國際開放標準組織(The Open Group)主持運作。論壇的最終目標是推出一個「標準的標準」,它將從現有標準中選出最佳者,如Profibus這樣的介面(只是舉個例子),並加入必要的內容來消弭任何差異。許多現有工業標準都只是用於連接,例如Modbus、BACnet、Profibus、乙太網路(Ethernet)和SCADA,以及WirelessHART、ZigBee、Z-Wave和Wi-Fi等無線介面。但論壇的目標不只是連接,它還包括可互動操作的程序控制軟體、安全,以及資料格式。

其他互通性工作也在進行中:工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium,IIC)正在尋求一定程度的製造與控制的互通性,儘管其當前焦點更多集中於網際網路和雲端連接方面。該組織期待找到協定、設備、介面、資料管理、分析和雲端運算之間的共同點。

為此,該組織成立了工業互聯網互通性聯盟(Industrial Internet Interoperability Coalition,I3C)小組,專注於互通性的具體熱點(圖2)。

20180409NT01P2 圖2 I3C小組成立是為了專注於確保關鍵熱點(比如通訊和資料交換格式)的互通性。(圖片來源:工業互聯網聯盟)

該小組定義了需要特別關注的集群,比如包含無線工廠介面和資料交換格式的製造業智慧設備營運(Smart Facility Operations in Manufacturing)集群。

IT和OT連接

隨著標準工作的繼續,設計人員和嵌入式開發人員仍須弄清楚,如何應對管理層對將更多的OT過程資料饋送到分析引擎和顯示儀錶板的需求。這意味著為了不影響企業端的安全性,同時維持已營運數十年的舊有棕色地帶系統的完整性,IT和OT必須協同工作才能獲得必需的資料。

實現這個目標最重要的設備是邊緣閘道器設備。一邊是透過一系列異質有線和無線工業網路連到當前和遺留系統的介面;另一邊是連到後端企業IT網路或直接連到雲端的簡單乙太網路有線和/或LTE無線連接。在閘道器本身當中,設計人員必須確保提供足夠的處理能力、記憶體、連接支援,以及基於硬體的可信任根(root-of-trust)安全性,以確保設計歷經8~15年也不會過時。

有兩家公司已加緊滿足上述需求,它們是華為(Huawei)和戴爾(Dell)。華為推出的AR502系列敏捷閘道器,是基於700MHz工作頻率的Arm雙核 Cortex-A9而設計,並具有256MB DDR3 RAM和512MB快閃記憶體(圖3)。它支援1Gb或2Gb乙太網路介面,實現本地現場網路連接,還支援802.11/b/g/n無線、RS-232、RS-485/RS422、USB、DI/DO(RF45連接器)和LVTTL。對於向主要伺服器或雲端進行資料回傳,它支援GSM、3G和4G/LTE回傳到網路。

20180409NT01P3 圖3 華為AR502敏捷閘道器(下)基於工作頻率為700MHz的Arm Cortex-A9,而戴爾邊緣閘道器5000(上)使用工作頻率高達1.75GHz的英特爾Atom處理器。

安全支援非常廣泛,包括AAA認證、RADIUS認證和802.1X/MAC/MAC旁路認證,以及PKI管理、CPU保護和DoS與洪泛攻擊保護。

就其本身而言,戴爾邊緣閘道器5000產品線基於工作頻率高達1.75GHz的英特爾(Intel)Atom處理器,DDR3記憶體高達8GB,並提供高達256GB的固態硬碟支援(圖3)。它也提供廣泛的本地網路支援,包括HDMI,這對工業視覺系統日益使用高解析度視訊起了推動作用。它也包括高達2GbE的介面,而其網路回傳採用有線方式,支援英特爾可信賴平台模組(TPM)2.0。

戴爾和華為的閘道器也都支援Tridium的Niagara控制框架,可以支援多個系統和網路的控制、分析和視覺化。Kodaro最近將Niagara移植到戴爾閘道器,並與IoTium合作提供iNodeOS管理的作業系統技術,實現安全、零接觸網路配置和遠端更新。

這種合作很重要,因為IoTium的iNodeOS的一個特點是,它不需要請求IT開放埠或更改代理設置。這樣一來,就有助於在確保快速部署的同時,保持IT網路的完整性。

工業邊緣運算

華為和戴爾的閘道器象徵了這種邊緣運算形式的重要性。工業互聯網聯盟與中國邊緣運算聯盟(ECC)合作擴展這種類型的邊緣處理變得非常重要,以至於其可以更好地實現互通性,並在邊緣實現更多的分析,而不必在本地設備或網路與雲端之間來回傳送資料,引發延遲和加重網路負擔。如果閘道器能做本地分析,那就讓它執行吧。

工業互聯網聯盟和中國邊緣運算聯盟將展開合作,進行IIoT最佳實踐、標準和測試平台開發。在這期間,電機等設備上將繼續整合更多的不斷生成資料的感測器和微控制器,而Rockwell Automation也計畫推出更多的自我感知系統。這樣就能檢測,比方說,電機軸承何時過熱,並降低轉速,以免連累整個裝配線路系統。

自我感知設備和IIoT最佳實踐,加上先進的機器人,很可能是富士康新工廠的重要部分。這可能在理想與可行性方面提供一個很好的案例研究。而在中間的某個位置,可能就是可標準化的那個點。

(參考原文:Interoperable platform needed for Industrial IoT,by Patrick Mannion)