整合IT、工控与通讯 加速落实工业4.0转型
- 魏于宁
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回顾过去，信息科技(IT)与操作技术(Operation Technology；OT)鲜少交集，但进入工业4.0时代，透过物联网、大数据与云端智能，使IT与OT两者终能展开对话，由OT领域的传感器获取数据，上传IT领域的云端中心执行大数据分析，繁衍各种创新应用。
有人说，工业4.0开启IT与OT的融合，此话无疑正确，但仍有欠完整，如果把融合范围再加上通讯技术(Communication Technology；CT)，便可谓完美的诠释。
具体而言，工业物联网与工业4.0核心架构，以数据创新、服务创新为轴心，意即制造业也需要如同服务业、农业...等等不同行业，将其经营核心摆在「服务」之上，凡事皆以满足客户需求为依归，而在传统价值链中扮演中间媒介的角色，举凡代理商、经销商或零售商等等，今后可能因为「去中间化」效应下而消失，届时产品的制造者，必须懂得善用ICT技术，直接对最终用户提供服务。
此外，可以预见今后「数据经济」概念势必蓬勃兴盛，所有公司都将善用大数据分析成果，形成商业决策基础，制造业也不例外，举凡新产品研发、智能工厂运作，乃至于物流运筹、消费者需求探索，甚至进一步推动消费者参与设计，都无庸置疑需要凭藉充分的数据与情报；因此除了服务创新外，数据创新亦属重要课题。
三T融合贯通 带动服务与数据创新
如何实现数据创新与服务创新？就必须仰赖IT、OT与CT三者的融合。所谓IT，含括电子商务(e-Commerce)、企业资源规划系统(ERP)、供应链管理系统(SCM)、顾客关系管理系统(CRM)、产品生命周期管理系统(PLM)乃至于办公室自动化系统(OA)，凡此种种，皆是IT部门相对驾轻就熟的项目。
至于OT，泛指与工厂营运相关的技术，主要涵盖三个类别：一是自动化/智动化；二是自动化整合搭配操作流程整合；三是工厂自动化与信息技术的整合，诸如制造现场控制(Shop Floor Control；SFC)、制造执行系统(Manufacturing Execution System；MES)、监视与整合控制(SCADA)等工厂信息系统，即需要与上列IT系统进行整合；而在串联信息技术与工业现场实体世界的过程中，传感器(Sensors)扮演不容或缺的要角。此外不可讳言，OT与实体世界的传感与控制息息相关，因此如可利用工业物联网技术，驱使智能机器人、或智能生产设备产生最佳运作效率，堪称是核心议题。
有关CT部份，则包含各种有线通讯、无线通讯、长距离通讯与短距离通讯等相关技术，举凡Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、4/5G等无线通讯技术，直至工业通讯与总线技术范畴，譬如西门子PROFINET、Beckhoff EtherCAT等等，最终论及不同通讯技术之间的整合，都亟待持续推展与落实。
在此前提下，许多以虚实整合系统(CPPS)为核心的工业4.0解决方案，在架构设计方面，大致都不会脱离IT、OT与CT三者融合的主轴。在未进行虚实整合之前，以一家制造企业而论，其内部便同时拥有两个泾渭分明的世界，其一是座落于生产制造端的实体世界，内含工业现场总线网络、嵌入式RTOS作业平台、I/O控制模块，还有Soft-Logic PAC、VC++程序等项目，另一则是虚拟世界，包括了网际网络、无线通讯、大数据数据撷取(Big Data Concentrator)，及Mobile HMI。
IoT闸道器穿针引线 尽速排解虚实整合阻碍
既然谈到虚实整合，就意谓制造企业必须跳脱现行区域自动化控制框架，进一步将工厂的机具设备、控制器连接到虚拟云端世界，以便把各种在工业现场所撷取的巨量数据，透过网络上传云端数据中心执行大数据分析，据此强化生产效率，提振企业营运效能。
在整合过程中，少不得需要藉助物联网闸道器，居中串联虚、实两个不同世界，更有甚者，此一闸道器必须身怀强大的翻译绝技，有能力识别各种不同的现场总线通讯协定，不仅如此，还需要支持诸如MQTT、SQLite等网际网络或云端通讯之相关协定与技术，如此才可望发挥求同存异功效，让有意建立智能工厂的制造企业，无需大费周章斥资汰换众多设备，亦不需要停产实施，便能依循着最短路径，加速实现工业4.0愿景。
为何整合异质现场总线通讯协定，对于实现工业4.0如此重要？此乃由于，环顾现阶段多数工厂的现场控制系统，由于导入之初，仅是为了提供机台控制机能，所以不见得需要采用一些标准通讯协定，反正用户看得懂、且熟悉个中运作方式即可，长此以往，难免形成生产机台与工业控制网络之间莫大的整合障碍，若不藉助诸如IoT闸道器等中介机制发挥转译功能，则无异是任由机台继续停留在非IP化格局，导致机台与机台之间、或机台与工控网络之间无法沟通串联，使机台之间不可能形成可供协调控制的群组，更遑论相互备援，终至无缘实现工业4.0或工业物联网。
值得一提的，近年来颇多工业物联网应用案例，都指向预知维护保养用途，意即管理者仅需坐镇于线上，便可透过不断蒐集与上传的传感器、控制器等数据，辅以经由巨量数据分析、预测性建模技术所获得的机台故障前万亿特徵，搭配实时告警机制，从而在机台即将失效的前夕掌握一切状况，适时展开应变方案，以避免机台突如其来故障而致产线骤然停顿，酿成巨大损失，此一应用范例，对于制造业者可说极具诱因。然而一旦未能解决底层通讯障碍，管理者就不可能从线上监控机台状态，当然就无法享受预知维护保养之妙效。
有监于此，部份工业电脑厂商遂以标准PC架构(植基于英特尔x86处理器)建立工业控制机制，藉以统整各类型现场通讯协定，例如PROFINET、PROFIBUS或EtherNet/IP等较为常见的工控通讯界面，此外也负责整合不同厂牌机台设备的OPC Server通讯软件，俾使用户仅需装设闸道器，而无需费心更换既有机台控制系统，便可破除异质厂牌机台设备之间的互通障碍。
但可以肯定的，综观偌大制造业，有的生产晶圆，有的生产面板，有的做3C产品组装，也有从事金属加工、纺织、塑化、自行车、机械、汽车...等等不同制造业务，彼此在于工厂自动化的成熟度，往往存在莫大歧异，因此欲求一套一体适用的Turnkey Solution，广洒下去即可让所有制造企业一夕之间晋升工业4.0水准，无异是不可能的任务。
先推进至3.0 再循序挑战4.0目标
正因如此，当制造业者决心朝向工业4.0、工业物联网寻求升级转型之前，实有必要先了解自己距离4.0有多远，如此才能对症下药，针对己身体质不足之处，优先加以补强。
有业者根据长年实际观察客户端的心得，先罗列出工业4.0所需落实的项目，再逐项检视大多数制造企业的现况。以三个最为关键的项目而论，针对第一项「制程自动化与信息化管理」，便因产业别与企业规模而使制程自动化程度出现不小差异，此外多数大型企业均已导入ERP与MES，但中小企业则未必，评估台湾平均水准介于2.0~3.0区间；关于第二项「机器人应用」，目前以汽车、半导体与面板产业导入比例较高，惟包括3C、塑橡胶、食品、金属零组件制造等行业，其实也有很大需求，全台平均水准同样介于2.0~3.0。
在「机台设备物联网与传感器应用」部份，唯独半导体单一产业应用程度较深，其余都有很大的进步空间，台湾平均水准仅约2.0。
有关其他工业4.0施行项目，包括「弹性与最佳化制造能力」、「巨量数据分析」、「数码设计与制程模拟」，以及「数码化产品生命周期管理」，多因不同企业之间成熟程度有所落差，且众多业者尚停留在较低层次，导致这些项目放诸于全台的平均水准，仅落在2.0，必须先设法推进至3.0，才能接续问鼎4.0。
