工業4.0興起　推動製造現場走向IP化

在2013年4月期間，德國藉由漢諾威工業博覽會揭櫫「工業4.0(Industry 4.0)」概念，箇中主軸為智能系統(Intelligent System)及網路實體化系統(Cyber Physical System)，影響所及，一個超越過去物聯網的嶄新生產管理思維，由此應運而生。

回顧以往，製造業所採行的生產資訊管理模式，基本上算是中央集權控制架構，由中央控制系統負責運帷幄下達生產指令，好讓現場設備聽命行事；至於中央控制系統的決策依據，則取決於現場設備所上傳的資訊。

上述做法，其實並無不當之處，只因它有助於提升製造控制的精確度，俾使現場的生產設備可以自動運行，終至節省生產人力，只不過，這種由單向式的自動化控制模式，並未顧慮到現場設備彼此之間的橫向溝通，有礙於整體系統實現最佳化狀態，因此為了彌補這層缺憾，爾後才諸如M2M(Machine to Machine)、Machine to Man、物聯網等全新概念出爐，希冀促成解決設備之間的平行溝通。

在工業4.0概念現身之前，所有攸關工業自動控制的重點，主要都環繞於生產品質與效率的提升，講求儘可能不耗費多餘資源，惟從工業4.0概念出現後，訴諸「Smart Production」、「Green Production」及「Urban Production」等意境更高的目標，Decentralized分散式製程將逐步取代過往集權控制架構，在此前提下，光靠物聯網連接到物，其實是不夠的，還需要帶入更多服務、更大智慧，因此可以預見，今後位居生產線末端的設備，其本身會是智慧型裝置，原本處於中央、運算能力很強的控制主機，便可能功成身退。

中央控制走向分散製造
為何出現這般轉折？只因「Smart Production」所追求的，即是讓一群具備智慧的生產設備，自己就有能力接收訂單訊息，而不再凡事聽候中央控制系統差遣，如此一來，便可望促使製造得以靈活調配生產線資源，可隨時根據單一訂單需求而進行投產，而非像從前一般徒然製造多餘產能、再設法將之去化，所以在物料的使用上更為恰如其分，進而達到「Green Production」。

而在落實接單式生產後，製造商即可順勢就地製造，毋需如同過去只為了撙節生產成本，因而遠渡重洋到人工便宜的國度設立生產基地，終至實現「Urban Production」目標。

所以透過工業4.0概念的鋪陳，製造業的管理層面，就不能像過去一樣只追求工廠自動化目標，也就是確保製程之順暢，而需要設法讓生產線不再僅是生產線，還能向上串聯結到物料、採購等企業運籌環節；一旦實現了如此大規模的連結，對於製造業可謂好處多多，第一個顯而易見的效益是，同一家公司旗下不同廠區的生管、物管與庫存等資源，就不再是各自獨立運作，而能夠被統合運用，有效避免相同資源一再受到重複購置或部署，從而大幅減少人力及物料成本，減少不必要的浪費。

另一方面，以往製造商每逢接獲大單，就必須設法在短期內擴充產能，而通常採取的做法就是大興土木蓋新廠，惟透過Industry 4.0概念下設備與設備、設備與人員的全面連結，企業管理高層只要在當下探索閒置廠房與生產線，就可指派其執行該生產任務，迅速獲得必要的產能，毋需大費周章地建廠而徒增巨大支出。

但話說回來，欲求上述一切願景的實現，單靠傳統的控制器、佐以不同的專屬通訊協定，不僅沒有太多助益，反而將構成莫大阻礙，因為要落實工業4.0概念下的智慧製造，箇中必然蘊含兩大重點，其一是強大的網路，另一就是資訊一貫化的環境，兩項需求皆與現今自動化控制技術多所歧異。

工業通訊協定亟需整合
那麼應當如何調整？首先就是如前所述，一反中央集權控制之常態，轉變為智能運動控制(Smart Motion)，由分散型工業乙太網系統挑起大樑，在這個改變的過程中，或許連過去體態稍嫌龐大的插卡式機台，都必須走向微型化，屆時無風扇架構可望成為新寵，除此之外，現場匯流排(Fieldbus)卡也需要進一步精簡化，卡片本身最好是MiniPCIe型式，而且卡片的種類也不宜龐雜眾多，也就是說，最好能夠讓PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、Ethernet/IP及EtherCAT等不同Fieldbus介面，都能藉由單一MiniPCIe卡一併實現，而Fieldbus整合化、微型化的下一步，就是進入全IP化架構，透過Ethernet-based自動化網路系統，以利於現場設備的資訊分享。

不可否認的，依據前一段所描述的智慧製造場景，重點似乎就是要取代傳統PLC，改採更具彈性的PC-based設備，然而觀察現實狀況，絕大多數製造工廠，都採用Siemens、Rockwell、Beckhoff或Allen Bradley的PLC，而且已經沿用多時，也都熟悉其運作，更已靠著這些控制器，幫助企業完成一樁樁生產任務、賺進一桶桶鈔票，豈有斷然捨棄之理？

有業者認為，這些PLC資產，意謂用戶建立已久的使用習慣，確實很難更改，當然不宜在一時片刻之間驟然拋棄，但回過一想，老是倚靠這些傳統的RS232或485序列通訊介面，意欲推動跨廠區、跨地域的遠端智慧管理，也的確是格格不入，該如何在新觀念與舊資產之間，取得較佳的平衡點？唯一的解法，便是巧妙借助堪可整合多種工業現場總線通訊協定的方案，一舉相容於這些國際大廠的標準，再透過先前所述及的全IP化架構，以確保現場設備端能與企業系統網路接軌，也唯有透過全IP化佈建，方可整合分散在不同地方的資源，從而以最有效的方式運行，讓企業得以用最經濟有效的方式推動營運成長。

於是乎，如前所述的Fieldbus介面整合化、微型化，便能在工業現場總線通訊協定整合方案的基礎上落地實現，今後工業控制器只需要單一EtherCAT總線，就可以取代過去多到數不清的介面卡、附加卡或線纜，也能同時滿足運動控制、I/O、IP攝影機、伺服馬達、伺服驅動器等多項裝載需求，堪稱是一舉數得。

而製造商為了維持與PLC相近的使用習慣，除了通訊整合外，也還有一些環節亟待打通。企業即使轉入PC-based控制系統，理所當然，不管在軟體操作、系統畫面上，都應該貼近既有環境，此時其所選用的PC-based控制器，就必須能與市面上被廣為採用的控制軟體相容，亦需與市場主流的HMI/SCADA軟體整合，如此才可面面俱到。

至於另一種整合模式，則是從Edge-to-Core工業乙太網路骨幹架構角度切入，取決於從現場端設備到遠端控制中心的監控網絡佈線設計，也同樣搭配各種Modbus、Profibus…等通訊介面的轉換解決方案，佐以彈性設計的網路備援技術、以及適用於遠程控制應用的工業級微型RTU與智能I/O解決方案，好讓企業能逐步建立完整通訊自動化系統。

總而言之，製造工廠必須全面走向e化、全面走向IP化，方可使得所有的設備共享資訊，好讓現場端、設備端能夠一路勾串到服務端，再與更上層的管理端及營業端緊密結合。由此可見，工業4.0概念下的智慧工廠架構，其實不僅止於連接工廠而已，而是連接所有事物，務須做到突破時間或空間藩籬，好讓所有設備及架構的資訊，都能有效地被串連起來。