工业4.0兴起　推动制造现场走向IP化

在2013年4月期间，德国藉由汉诺威工业博览会揭櫫「工业4.0(Industry 4.0)」概念，个中主轴为智能系统(Intelligent System)及网络实体化系统(Cyber Physical System)，影响所及，一个超越过去物联网的崭新生产管理思维，由此应运而生。

回顾以往，制造业所采行的生产信息管理模式，基本上算是中央集权控制架构，由中央控制系统负责运帷幄下达生产指令，好让现场设备听命行事；至于中央控制系统的决策依据，则取决于现场设备所上传的信息。

上述做法，其实并无不当之处，只因它有助于提升制造控制的精确度，俾使现场的生产设备可以自动运行，终至节省生产人力，只不过，这种由单向式的自动化控制模式，并未顾虑到现场设备彼此之间的横向沟通，有碍于整体系统实现最佳化状态，因此为了弥补这层缺憾，尔后才诸如M2M(Machine to Machine)、Machine to Man、物联网等全新概念出炉，希冀促成解决设备之间的平行沟通。

在工业4.0概念现身之前，所有攸关工业自动控制的重点，主要都环绕于生产品质与效率的提升，讲求尽可能不耗费多余资源，惟从工业4.0概念出现后，诉诸「Smart Production」、「Green Production」及「Urban Production」等意境更高的目标，Decentralized分散式制程将逐步取代过往集权控制架构，在此前提下，光靠物联网连接到物，其实是不够的，还需要带入更多服务、更大智能，因此可以预见，今后位居生产线末端的设备，其本身会是智能装置，原本处于中央、运算能力很强的控制主机，便可能功成身退。

中央控制走向分散制造
为何出现这般转折？只因「Smart Production」所追求的，即是让一群具备智能的生产设备，自己就有能力接收订单信息，而不再凡事听候中央控制系统差遣，如此一来，便可望促使制造得以灵活调配生产线资源，可随时根据单一订单需求而进行投产，而非像从前一般徒然制造多余产能、再设法将之去化，所以在物料的使用上更为恰如其分，进而达到「Green Production」。

而在落实接单式生产后，制造商即可顺势就地制造，毋需如同过去只为了撙节生产成本，因而远渡重洋到人工便宜的国度设立生产基地，终至实现「Urban Production」目标。

所以透过工业4.0概念的铺陈，制造业的管理层面，就不能像过去一样只追求工厂自动化目标，也就是确保制程之顺畅，而需要设法让生产线不再仅是生产线，还能向上串联结到物料、采购等企业运筹环节；一旦实现了如此大规模的连结，对于制造业可谓好处多多，第一个显而易见的效益是，同一家公司旗下不同厂区的生管、物管与库存等资源，就不再是各自独立运作，而能够被统合运用，有效避免相同资源一再受到重复购置或部署，从而大幅减少人力及物料成本，减少不必要的浪费。

另一方面，以往制造商每逢接获大单，就必须设法在短期内扩充产能，而通常采取的做法就是大兴土木盖新厂，惟透过Industry 4.0概念下设备与设备、设备与人员的全面连结，企业管理高层只要在当下探索闲置厂房与生产线，就可指派其执行该生产任务，迅速获得必要的产能，毋需大费周章地建厂而徒增巨大支出。

但话说回来，欲求上述一切愿景的实现，单靠传统的控制器、佐以不同的专属通讯协定，不仅没有太多助益，反而将构成莫大阻碍，因为要落实工业4.0概念下的智能制造，个中必然蕴含两大重点，其一是强大的网络，另一就是信息一贯化的环境，两项需求皆与现今自动化控制技术多所歧异。

工业通讯协定亟需整合
那麽应当如何调整？首先就是如前所述，一反中央集权控制之常态，转变为智能运动控制(Smart Motion)，由分散型工业以太网系统挑起大梁，在这个改变的过程中，或许连过去体态稍嫌庞大的插卡式机台，都必须走向微型化，届时无风扇架构可望成为新宠，除此之外，现场汇流排(Fieldbus)卡也需要进一步精简化，卡片本身最好是MiniPCIe型式，而且卡片的种类也不宜庞杂众多，也就是说，最好能够让PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、Ethernet/IP及EtherCAT等不同Fieldbus界面，都能藉由单一MiniPCIe卡一并实现，而Fieldbus整合化、微型化的下一步，就是进入全IP化架构，透过Ethernet-based自动化网络系统，以利于现场设备的信息分享。

不可否认的，依据前一段所描述的智能制造场景，重点似乎就是要取代传统PLC，改采更具弹性的PC-based设备，然而观察现实状况，绝大多数制造工厂，都采用Siemens、Rockwell、Beckhoff或Allen Bradley的PLC，而且已经沿用多时，也都熟悉其运作，更已靠着这些控制器，帮助企业完成一桩桩生产任务、赚进一桶桶钞票，岂有断然舍弃之理？

有业者认为，这些PLC资产，意谓用户建立已久的使用习惯，确实很难更改，当然不宜在一时片刻之间骤然抛弃，但回过一想，老是倚靠这些传统的RS232或485序列通讯界面，意欲推动跨厂区、跨地域的线上智能管理，也的确是格格不入，该如何在新观念与旧资产之间，取得较佳的平衡点？唯一的解法，便是巧妙借助堪可整合多种工业现场总线通讯协定的方案，一举兼容于这些国际大厂的标准，再透过先前所述及的全IP化架构，以确保现场设备端能与企业系统网络接轨，也唯有透过全IP化布建，方可整合分散在不同地方的资源，从而以最有效的方式运行，让企业得以用最经济有效的方式推动营运成长。

于是乎，如前所述的Fieldbus界面整合化、微型化，便能在工业现场总线通讯协定整合方案的基础上落地实现，今后工业控制器只需要单一EtherCAT总线，就可以取代过去多到数不清的界面卡、附加卡或线缆，也能同时满足运动控制、I/O、IP摄影机、伺服马达、伺服驱动器等多项装载需求，堪称是一举数得。

而制造商为了维持与PLC相近的使用习惯，除了通讯整合外，也还有一些环节亟待打通。企业即使转入PC-based控制系统，理所当然，不管在软件操作、系统画面上，都应该贴近既有环境，此时其所选用的PC-based控制器，就必须能与市面上被广为采用的控制软件兼容，亦需与市场主流的HMI/SCADA软件整合，如此才可面面俱到。

至于另一种整合模式，则是从Edge-to-Core工业以太网络骨干架构角度切入，取决于从现场端设备到线上控制中心的监控网络布线设计，也同样搭配各种Modbus、Profibus…等通讯界面的转换解决方案，佐以弹性设计的网络备援技术、以及适用于远程控制应用的工业级微型RTU与智能I/O解决方案，好让企业能逐步建立完整通讯自动化系统。

总而言之，制造工厂必须全面走向e化、全面走向IP化，方可使得所有的设备共享信息，好让现场端、设备端能够一路勾串到服务端，再与更上层的管理端及营业端紧密结合。由此可见，工业4.0概念下的智能工厂架构，其实不仅止于连接工厂而已，而是连接所有事物，务须做到突破时间或空间藩篱，好让所有设备及架构的信息，都能有效地被串连起来。