整合IT、工控與通訊 加速落實工業4.0轉型
- 魏于寧
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回顧過去，資訊科技(IT)與操作技術(Operation Technology；OT)鮮少交集，但進入工業4.0時代，透過物聯網、大數據與雲端智慧，使IT與OT兩者終能展開對話，由OT領域的感測器獲取資料，上傳IT領域的雲端中心執行大數據分析，繁衍各種創新應用。
有人說，工業4.0開啟IT與OT的融合，此話無疑正確，但仍有欠完整，如果把融合範圍再加上通訊技術(Communication Technology；CT)，便可謂完美的詮釋。
具體而言，工業物聯網與工業4.0核心架構，以資料創新、服務創新為軸心，意即製造業也需要如同服務業、農業...等等不同行業，將其經營核心擺在「服務」之上，凡事皆以滿足客戶需求為依歸，而在傳統價值鏈中扮演中間媒介的角色，舉凡代理商、經銷商或零售商等等，今後可能因為「去中間化」效應下而消失，屆時產品的製造者，必須懂得善用ICT技術，直接對最終用戶提供服務。
此外，可以預見今後「資料經濟」概念勢必蓬勃興盛，所有公司都將善用大數據分析成果，形成商業決策基礎，製造業也不例外，舉凡新產品研發、智慧工廠運作，乃至於物流運籌、消費者需求探索，甚至進一步推動消費者參與設計，都無庸置疑需要憑藉充分的資料與情報；因此除了服務創新外，資料創新亦屬重要課題。
三T融合貫通 帶動服務與資料創新
如何實現資料創新與服務創新？就必須仰賴IT、OT與CT三者的融合。所謂IT，含括電子商務(e-Commerce)、企業資源規劃系統(ERP)、供應鏈管理系統(SCM)、顧客關係管理系統(CRM)、產品生命週期管理系統(PLM)乃至於辦公室自動化系統(OA)，凡此種種，皆是IT部門相對駕輕就熟的項目。
至於OT，泛指與工廠營運相關的技術，主要涵蓋三個類別：一是自動化/智動化；二是自動化整合搭配操作流程整合；三是工廠自動化與資訊技術的整合，諸如製造現場控制(Shop Floor Control；SFC)、製造執行系統(Manufacturing Execution System；MES)、監視與整合控制(SCADA)等工廠資訊系統，即需要與上列IT系統進行整合；而在串聯資訊技術與工業現場實體世界的過程中，感測器(Sensors)扮演不容或缺的要角。此外不可諱言，OT與實體世界的感測與控制息息相關，因此如可利用工業物聯網技術，驅使智慧機器人、或智慧型生產設備產生最佳運作效率，堪稱是核心議題。
有關CT部份，則包含各種有線通訊、無線通訊、長距離通訊與短距離通訊等相關技術，舉凡Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、4/5G等無線通訊技術，直至工業通訊與總線技術範疇，譬如西門子PROFINET、Beckhoff EtherCAT等等，最終論及不同通訊技術之間的整合，都亟待持續推展與落實。
在此前提下，許多以虛實整合系統(CPPS)為核心的工業4.0解決方案，在架構設計方面，大致都不會脫離IT、OT與CT三者融合的主軸。在未進行虛實整合之前，以一家製造企業而論，其內部便同時擁有兩個涇渭分明的世界，其一是座落於生產製造端的實體世界，內含工業現場總線網路、嵌入式RTOS作業平台、I/O控制模組，還有Soft-Logic PAC、VC++程式等項目，另一則是虛擬世界，包括了網際網路、無線通訊、大數據資料擷取(Big Data Concentrator)，及Mobile HMI。
IoT閘道器穿針引線 儘速排解虛實整合阻礙
既然談到虛實整合，就意謂製造企業必須跳脫現行區域自動化控制框架，進一步將工廠的機具設備、控制器連接到虛擬雲端世界，以便把各種在工業現場所擷取的巨量資料，透過網路上傳雲端資料中心執行大數據分析，據此強化生產效率，提振企業營運效能。
在整合過程中，少不得需要藉助物聯網閘道器，居中串聯虛、實兩個不同世界，更有甚者，此一閘道器必須身懷強大的翻譯絕技，有能力辨識各種不同的現場總線通訊協定，不僅如此，還需要支援諸如MQTT、SQLite等網際網路或雲端通訊之相關協定與技術，如此才可望發揮求同存異功效，讓有意建立智慧工廠的製造企業，無需大費周章斥資汰換眾多設備，亦不需要停產實施，便能依循著最短路徑，加速實現工業4.0願景。
為何整合異質現場總線通訊協定，對於實現工業4.0如此重要？此乃由於，環顧現階段多數工廠的現場控制系統，由於導入之初，僅是為了提供機台控制機能，所以不見得需要採用一些標準通訊協定，反正用戶看得懂、且熟悉箇中運作方式即可，長此以往，難免形成生產機台與工業控制網路之間莫大的整合障礙，若不藉助諸如IoT閘道器等中介機制發揮轉譯功能，則無異是任由機台繼續停留在非IP化格局，導致機台與機台之間、或機台與工控網路之間無法溝通串聯，使機台之間不可能形成可供協調控制的群組，更遑論相互備援，終至無緣實現工業4.0或工業物聯網。
值得一提的，近年來頗多工業物聯網應用案例，都指向預知維護保養用途，意即管理者僅需坐鎮於遠端，便可透過不斷蒐集與上傳的感測器、控制器等數據，輔以經由巨量資料分析、預測性建模技術所獲得的機台故障前兆特徵，搭配即時告警機制，從而在機台即將失效的前夕掌握一切狀況，適時展開應變方案，以避免機台突如其來故障而致產線驟然停頓，釀成巨大損失，此一應用範例，對於製造業者可說極具誘因。然而一旦未能解決底層通訊障礙，管理者就不可能從遠端監控機台狀態，當然就無法享受預知維護保養之妙效。
有鑑於此，部份工業電腦廠商遂以標準PC架構(植基於英特爾x86處理器)建立工業控制機制，藉以統整各類型現場通訊協定，例如PROFINET、PROFIBUS或EtherNet/IP等較為常見的工控通訊介面，此外也負責整合不同廠牌機台設備的OPC Server通訊軟體，俾使用戶僅需裝設閘道器，而無需費心更換既有機台控制系統，便可破除異質廠牌機台設備之間的互通障礙。
但可以肯定的，綜觀偌大製造業，有的生產晶圓，有的生產面板，有的做3C產品組裝，也有從事金屬加工、紡織、塑化、自行車、機械、汽車...等等不同製造業務，彼此在於工廠自動化的成熟度，往往存在莫大歧異，因此欲求一套一體適用的Turnkey Solution，廣灑下去即可讓所有製造企業一夕之間晉升工業4.0水準，無異是不可能的任務。
先推進至3.0 再循序挑戰4.0目標
正因如此，當製造業者決心朝向工業4.0、工業物聯網尋求升級轉型之前，實有必要先瞭解自己距離4.0有多遠，如此才能對症下藥，針對己身體質不足之處，優先加以補強。
有業者根據長年實際觀察客戶端的心得，先羅列出工業4.0所需落實的項目，再逐項檢視大多數製造企業的現況。以三個最為關鍵的項目而論，針對第一項「製程自動化與資訊化管理」，便因產業別與企業規模而使製程自動化程度出現不小差異，此外多數大型企業均已導入ERP與MES，但中小企業則未必，評估台灣平均水準介於2.0~3.0區間；關於第二項「機器人應用」，目前以汽車、半導體與面板產業導入比例較高，惟包括3C、塑橡膠、食品、金屬零組件製造等行業，其實也有很大需求，全台平均水準同樣介於2.0~3.0。
在「機台設備物聯網與感測器應用」部份，唯獨半導體單一產業應用程度較深，其餘都有很大的進步空間，台灣平均水準僅約2.0。
有關其他工業4.0施行項目，包括「彈性與最佳化製造能力」、「巨量資料分析」、「數位設計與製程模擬」，以及「數位化產品生命週期管理」，多因不同企業之間成熟程度有所落差，且眾多業者尚停留在較低層次，導致這些項目放諸於全台的平均水準，僅落在2.0，必須先設法推進至3.0，才能接續問鼎4.0。
