工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的連接是怎樣實現(xiàn)的

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)被視為下一代制造系統(tǒng)的骨干架構，透過OT與IT的串連，讓制造系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的信息可以被完整擷取并無縫串流，從而達到智能制造愿景。

2011年德國總理梅克爾宣布啟動工業(yè)4.0后，全球制造業(yè)開始掀起智能化浪潮，包括中國的中國制造2025、美國的網(wǎng)宇實體系統(tǒng)（Cyber-Physical System， CPS）、日本的產(chǎn)業(yè)重振計劃等，除了政府機關外，產(chǎn)業(yè)界也開始積極布局，透過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建置，鏈結IT與OT系統(tǒng)，整合制造現(xiàn)場的操作系統(tǒng)與企業(yè)端的信息系統(tǒng)。

OT系統(tǒng)不求整合只求穩(wěn)定

過去制造業(yè)的OT系統(tǒng)與IT系統(tǒng)各自負責的工作涇渭分明，OT系統(tǒng)作為制造用途，大部分的工業(yè)設備在發(fā)展上，走得一向都比消費性電子產(chǎn)業(yè)慢，原因有二。一是工業(yè)設備造價昂貴，安裝困難，不可能如手機、PC大約1~2年就會有一波換機潮，而工業(yè)設備一般的使用年限都在7年以上，因此設備供貨商都起碼必須有5年以上的保證供貨期間。二 是生產(chǎn)設備首重穩(wěn)定，能否快速、穩(wěn)定地持續(xù)產(chǎn)程才是業(yè)者的第一考慮，畢竟工業(yè)設備要求的是最適化而非最高效能的產(chǎn)品，加上消費性產(chǎn)品或標準在剛推出時，都會有一段質量的不穩(wěn)定期，因此工控產(chǎn)業(yè)都會等到該技術標準在市面上經(jīng)過長期的使用，證明已完全成熟后，才會開始導入。例如控制器，傳統(tǒng)PLC長期稱霸市場，即使PC技術已成熟多年，但也是到了近期才開始被應用在控制方面，而即使如此，產(chǎn)業(yè)中仍有PC-based控制器不穩(wěn)定的印象存在，認為PLC已可提供最適性與穩(wěn)定性。

同樣的情況也出現(xiàn)在OT系統(tǒng)的工業(yè)通訊部分，工業(yè)網(wǎng)絡從無到有的確是歷程艱辛。工業(yè)網(wǎng)絡不如商業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展迅速有兩點因素，首先是成本考慮：要建置網(wǎng)絡必須花上一筆費用，尤其是針對一些低階或是非電子類的設備來說，目前網(wǎng)絡設備價格雖已逐漸平實，但對規(guī)模不大的廠商來說仍是一筆負擔。第二是工業(yè)網(wǎng)絡標準太多，各工控設備廠商從自身利益考慮，力推自家的網(wǎng)絡規(guī)格，協(xié)商標準統(tǒng)一時，往往不肯犧牲利益而讓步。不同的網(wǎng)絡協(xié)議各有特點和其存在的環(huán)境和價值，而當技術不斷地被創(chuàng)新，新的協(xié)議持續(xù)誕生，使用者往往無所適從，擔心一但選用了其中一種協(xié)議后，會受制于特定廠商。

盡管有著上述缺點，面對網(wǎng)絡技術所帶來的種種優(yōu)勢，工業(yè)網(wǎng)絡仍開始蓬勃發(fā)展起來。其優(yōu)勢最明顯的就是省配線，如果可以用一條網(wǎng)絡線就將數(shù)以百計的組件連接起來，而不必再以并列傳輸?shù)姆绞绞褂脭?shù)百條傳輸線，將會大幅減少配線時間與電箱空間；另則依照軟件的觀點，每個連上網(wǎng)絡的組件都被視為對象（Object），這些組件的新增與移除就可以用軟件的方式達成控管，而網(wǎng)絡化的組件通常也會加入自我診斷的功能，當組件發(fā)生故障時，這些訊息可以透過因特網(wǎng)傳回給控制臺，控制臺再經(jīng)由網(wǎng)絡檢測出連接上網(wǎng)的組件來監(jiān)控并回報。網(wǎng)絡的自我建構也同時可以減少系統(tǒng)設定的時間，經(jīng)由監(jiān)控每部機器的運作狀況所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，更可提供給企業(yè)作為營運參考。

三種模式架構新世代工業(yè)通訊

在智能化趨勢下，新世代的工業(yè)網(wǎng)絡開始啟動，從圖1可以看出，現(xiàn)在OT系統(tǒng)的通訊設計必須包括數(shù)字化、雙向、多站等特色。整體來說，現(xiàn)在的發(fā)展主要有3種現(xiàn)場總線（Fieldbus）模式：第一種是專用、封閉型，規(guī)范由各家公司自行研制，往往是針對某一特定應用領域而設，效率也是最高，但是在相互連接時就會顯得各項指標參差不齊，推廣與維護都比較難以協(xié)調。此類專用型工業(yè)網(wǎng)絡有三個發(fā)展方向，第一是走向開放型，使它成為標準，二是繼續(xù)封閉系統(tǒng)，保持原占有率，三則是設計專用的網(wǎng)關與開放型網(wǎng)絡連接。

圖1 現(xiàn)代化的OT系統(tǒng)的通訊設計包括了數(shù)字化、雙向、多站等特色。

第二種為開放型，不過所謂的開放型并非全面無條件開放，通常無條件開放的僅有一些簡單的標準，其他都是有條件開放，或僅對其成員開放。亦即生產(chǎn)廠商必須為組織成員，產(chǎn)品必須經(jīng)過該組織的測試、認證才可在該工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)中使用。

第三種為標準型，例如符合國際標準的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或歐洲標準EN50170的工業(yè)網(wǎng)絡。這些也都會遵循ISO/IEC7498國際標準，亦即OSI 7-Layer參考模型，工業(yè)網(wǎng)絡大都只使用其中的物理層（Physical Layer）、數(shù)據(jù)連接層（Data Link Layer）和應用層（Application Layer）。一般工業(yè)網(wǎng)絡的制定是根據(jù)現(xiàn)有的通訊接口，或是自己設計通訊芯片，然后再依據(jù)應用領域，設定傳輸格式，例如DeviceNet的物理層與數(shù)據(jù)連接層是以CANBus為基礎，再增加適用于一般I/O點應用的應用層規(guī)范。上述三個種類大致架構出目前的工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境，欲建構者可依本身的需求選擇適合自己的網(wǎng)絡設備。

網(wǎng)絡在一般IT領域已蔚然成林，技術成熟度已然足夠，在OT系統(tǒng)上的應用則仍有成長空間，不過近年來借助智能制造風潮帶起的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，則將加快其發(fā)展速度。就目前來看，OT與IT系統(tǒng)所使用的通訊設備有些許程度差異，工業(yè)用的通訊設備在設計上會更重視環(huán)境的適應度，包括溫度、濕度、防塵、防震等，都比IT的規(guī)格更嚴苛。盡管如此，仍有廠商將一般IT設備使用于工業(yè)環(huán)境，不過如此一來輕則訊號容易傳遞出錯，重則機臺當機、產(chǎn)線停滯，因此廠商要建置工業(yè)網(wǎng)絡環(huán)境時，最好還是透過系統(tǒng)整合廠商做整體規(guī)畫，以免因小失大。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)　串連四層架構

除了上述的三種傳統(tǒng)的Fieldbus外，以太網(wǎng)絡在近年被大舉導入OT領域，尤其在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構中，更成為工業(yè)通訊不可或缺的一環(huán)。在整體工業(yè)環(huán)境中，目前仍以Fieldbus作為現(xiàn)場層與控制層之間的鏈接，但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，OT架構還往上擴增了操作層與管理層并連接到IT端，而觀察目前發(fā)展，云端會是主要整合的平臺。

從架構面來看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是由四層產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈組成。第一層為IoT感知層，感知需要大量的感知設備（Sensing Devices），而感知設備之間的溝通技術逐漸發(fā)展成以無線為主。第二層是嵌入式平臺產(chǎn)業(yè)（Embedded），它是一種感知的邊緣（Edge），物聯(lián)網(wǎng)一定是先感知，然后到Edge邊緣。第三層是產(chǎn)業(yè)應用，第四層是云服務，物聯(lián)網(wǎng)的云服務是服務「物」的，應用在工廠、物流、零售等，想要把各個場域的感知器連起來，就會需要相關軟件程序在其中進行大量的運算與整合，協(xié)助數(shù)據(jù)的分析與應用。

研華技術官楊瑞祥表示，前端的資料搜集與整合大多是依靠硬件，后端的分析與處理則是軟件為重，他以研華推出的WISE-PaaS平臺為例，此平臺串連四層架構，主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供設備聯(lián)網(wǎng)與無線感測整合的軟件服務，透過WISE-PaaS/WISE Agent數(shù)據(jù)擷取串接傳感器進行數(shù)據(jù)匯流，與IoT邊緣智慧服務器（Edge Intelligence Server， EIS）做初步智慧化分析后，WISE-PaaS/EnSaaS鏈接云端部署進行指令實時下達，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)端到云的快速溝通串流，讓數(shù)據(jù)從搜集到歸納，再串連到云端一氣呵成。

物聯(lián)網(wǎng)時代透過云端與網(wǎng)絡協(xié)助整合信息已經(jīng)成為常態(tài)，楊瑞祥指出，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)未來將從硬件為主的功能導向，走向軟硬整合的數(shù)據(jù)驅動發(fā)展，透過整合的云平臺將數(shù)據(jù)分析工作變得更加簡便；另外，因應產(chǎn)業(yè)的不斷變動包括規(guī)格、標準、產(chǎn)業(yè)需求、新興應用等，WISE平臺也非常強調彈性Design for EvoluTIon概念，期待能透過彈性化的架構與更新機制，滿足客戶對于上述變動的需求。

由于未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用層面將會不斷擴大，每個不同的垂直產(chǎn)業(yè)差異性很大，楊瑞祥強調，WISE與大型的云服務平臺兼容互補，并不是競爭的關系；研華的云服務可以橫跨支持不同的平臺，盡管現(xiàn)在大部分的業(yè)務模式還是以硬件計價，但軟件的搭配已經(jīng)不可或缺。平均而言，單純硬件銷售的毛利都非常低，與軟件有關的云服務營收貢獻盡管不高，但卻擁有高毛利的特性，部分廠商云服務占營收9%，但卻貢獻70%的利潤。

另外，由于物聯(lián)網(wǎng)應用的碎片化特性，大型云平臺對于個別產(chǎn)業(yè)的特殊需求較難滿足，研華從工業(yè)計算機的本業(yè)出發(fā)，針對IIoT發(fā)展許多產(chǎn)業(yè)專業(yè)應用模塊，同時，WISE平臺也強調在線/線下整合的便利性，與不同的系統(tǒng)整合伙伴還有客戶進行深入合作，利用物聯(lián)網(wǎng)找出產(chǎn)業(yè)價值，建立、強化核心競爭力，協(xié)助客戶技術與產(chǎn)品營銷全球。

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