物聯網科技的出現已經開啟了製造業的第四次工業革命(Industry 4.0)，從傳統的「自動化」邁入以物聯網為基礎的「智動化」生產模式，從半自動化或單機自動化設備進步到M2M（機器對機器）及M2P（機器對人）溝通的網路連結製程。 若進一步再與企業資訊系統及資料分析技術結合，將可創造出智慧工廠無限的可能。

藉由物聯網趨動的智慧製程，智慧工廠將可減輕對人力的依賴、改善生產過程的精準度、正確度及效率、提高產能與品質、降低成本，最終增進了企業競爭力。

製造業中高達九成尚在棕地

根據「國際數據資訊」(IDC)發布的市場研究分析，全球製造業潛在的物聯網市場規模到2018年時將達到9,130億美元，較2014年的4,720億美元，複合年均增長率(CAGR)達到17.93%，在整體物聯網市值14.4兆美元占比最高，達27%。

此外，網路設備公司思科(Cisco)評估，全球製造業使用的6400萬台機器有92%尚未連結上網路，遍布在各地生產線。理論上，要推動生產智動化最理想的方式是直接把這些機器更換成新的智慧化機器，但對許多考慮成本的製造業者而言，這並非務實良方，因為他們已經投資大筆資金在既有的生產設備和自動化機器，這些既有的設備必須使用多年才能回收成本。

因此，較可行解決方案是在可以接受的預算範圍內，設法讓既有設備得以連結上網際網路，整合到智慧工廠系統，以蒐集這些設備和機器的運作資料並加以分析。

物聯網工廠的多重挑戰

以物聯網為基礎之製造環境結合了廠區操作科技及管理階層之資訊科技。前者乃是透過網路串連各項設備與裝置，實現機器自動化、MES製造管理系統、環境監控、能源管理…等工作；後者則是指管理階層使用之資訊應用系統，包括企業資源規劃系統(ERP)、客戶資源管理系統(CRM)、各種不同的資訊分析工具…等。

這些元素一旦連結在一起，會產生各種支援多個子系統的虛實整合系統(CPS)。在此類應用情境中，系統運作必須十分穩定可靠，而各個裝置和應用系統之間流 動的資料則必須十分安全，並且達到最小延遲。因而，網路連結性和有效率的資料流是智慧工廠最基本的要求。然而，欲將廠區既有設備和其他資產連接上網路，卻面臨著多重挑戰：

既有零散科技難以整合：自從自動化生產問世以來，已發展出各式各樣技術及標準，混雜於生產線之操作，同一家公司不同廠區之生產現場可能已布建了各種不同標準的設備。但「工業4.0」之概念，乃是將各項單獨的生產元素透過網路整合串連，而獲取對於管理或操作決策而言十分重要之資訊。不幸的是，現實有許多路障與關卡，智慧工廠的實施者面對的困難場景如下：

• 廠區裡常使用的各種控制器，包括可編程邏輯控制器(PLC)、以PC架構為基礎的可編程自動控制器(PAC)及嵌入式的微控制器(MCU)等，往往是由多個不同供應商所供應，使用的技術也不一樣。

• 從過去到現在，許多PLC供應廠商使用不同的通訊標準連接PLC和現場匯流排，有些廠商還自行發展自用的標準。即便有某些標準在市場上追隨者眾，也未能成為唯一的標準。結果就是同一生產現場需同時布建多個通訊標準以支援各家廠商設備。

• 甚至有些生產設備傳統區域網路連接埠或串列埠都沒有。

OEM廠商之智財權保護：原始設備製造商通常不願提供設備操作協定之原始碼，以保護他們的智慧財產權益。這使得整合不同裝置成為完整系統的工作橫生阻撓。甚至有時提供設備的公司已經解散。

客戶對侵入式重新設定之抗拒：生產設備的管理者常會拒絕系統整合商就既有系統及裝置之軟體內容進行增減或調整。

資料即時性不足：雖然許多既有設備採PC架構並可產生紀錄檔，但這些紀錄檔並非即時產生且資料經常缺漏。而且不同的設備廠商提供的紀錄檔資料格式不一，使得資料複寫和系統擴縮變得複雜。

實施設備連網時之考量重點
Key Considerations for Connecting the Unconnected 

工廠建置與投資的金額往往相當巨大且費時，因此將工廠既有設施轉變成基於物聯網的智慧工廠時，必須多方考量，考量的面向應當具備以下特點：

解決方案應具通用和可擴展性：新的智慧工廠必然需架構在通用型的技術架構上，非獨家廠商的秘密配方，以避免過去各家技術無法整合的痛處。更重要的是，這個架構必須是可以彈性擴充的，不用擔心因為產能需求新增機台後，無法維護。

成本效益：對於許多正考慮實施智慧工廠連網的製造業者而言，考量的第一重點自然是最終效益能否大於付出成本，這對於製程比較複雜的工廠尤其重要，因為這類工廠往往已經購置許多昂貴的生產元件，他們會希望設備能一用多年，以回收投資成本，最好不需要為了布建智慧工廠而停機，或是停機時間愈短愈好，如此可提高製造業者實施智慧化工廠的意願。

即時資料的擷取：對於支援物聯網的系統而言，取得即時資訊決定了未來營運模式能否成功。因此，資訊的取得必須即時，以支援重大且立即的決策。

使用非侵入式方法：為了減輕對業主資產造成的衝擊，解決方案的布建最好對既有設備之軟硬體只進行低度或零調整，以避免造成不穩定或損害，並將停機時間降到最低。

資料頻寬最大化：隨著愈來愈多生產元件被連結到物聯網系統，將有更多資料需要在更短時間內完成傳輸，網路頻寬的有效利用（最好大於85%）就愈形重要，以容納更多連網裝置。  

動態探索：對於實施物聯網的工廠而言，產能與營運決策息息相關，設備配置和製程經常必須調整，因此物聯網系統必須能提供動態探索功能，使得生產元件和製程重新設定所需要的時間可以縮到最短，以減少調整時的整體停機時間。 

可擴展且可靠：物聯網系統既然必須連結大量裝置和設備，理想的解決方案應該具備最大之可擴展性，以有效管理各種元素組態並支援未來之系統擴充，且所有元素必須以可靠方式連結，才能支援高時效性與關鍵任務之應用。 

資安保護：不同於傳統單機裝置，物聯網系統一旦上線，資料便暴露在風險之中，因此智慧工廠解決方案必須整合有效的保護措施。

彈性化的虛實融合系統(CPS)架構：CPS系統結合資訊與通訊科技、資料與實體元素，並串連各裝置之功能，而能實現既有設備之互連和智動化。這項新的IT科技使得傳統拚接式、孤立的生產設備得以整合、轉型成靈巧、無縫接軌的「系統體系」(SoS)，而符合用戶之製程需求。從各子系統蒐集得來的資料可自發性、即時性地於任何時間於系統內分享，而實現智慧製造。

逐步實現智慧製造
Steps to establishing Smart Manufacturing

僅管實施智慧工廠不只可有效改進製程和營運管理，也可促進垂直溝通，但經濟現實無法一步到位。因此依優先順序分階段實施便有其必要。例如先設法將現有機器和儀器連上網路，以節约能源、增加設備的投資報酬率；接著建構出物聯網平台的虛實整合系統(CPS)、在此架構下增加新的機械；然後逐步增加應用項目、發展出完整的智慧工廠連結。 

連結既有機器和儀器

雖然這一步是最大挑戰，卻是實施智慧製造最重要的基礎。如果無法將機器和設備連接上網路，工廠運作便無法擷取智慧決策所需的關鍵資料。可能需要耗費數年光陰，才可能達到整廠智慧化的目標。

配備通訊協定彙整轉換與區域運作的智慧型中介軟體之物聯網閘道器，將可使得原本未連網的廠區各種設備、感測器、量錶、儀器得以簡單快速地整合上網，擷取OT端之生產現場資料，並將原本使用Modbus或Zigbee等通訊協定取得之現場資料，藉由閘道器轉換為MQTT、DDS、或RESTful等物聯網接受之IT通訊協定傳輸，將傳統設備串連成為物聯網系統。

當設備連線上網後，系統便可從連線設備擷取資料，廠區作業人員可透過現場顯示幕檢視機器作業情形，而公司管理人員則可從中央控制室遠端監看廠區整體生產狀況、各別機器作業情形、環境參數、能源使用情形等重要資訊。

節約能源

佈署生產執行、倉儲管理、設施監管與能源管理等系統，可監控廠區水、電、瓦斯及其他能源的使用，進而協助擬定節約能源措施、減少能源使用費用。一旦用戶感受到設備連線上網的好處，就可能擴大實施、逐步邁向更完整的智慧工廠應用。
 
強化資料分享平台

到了第二階段，建立一個資料分享平台可強化物聯網功能的整合，並擴大實施智慧製造所能得到的效益。一旦資料傳輸出現故障或錯誤，可能造成相當大的財務損失，因此需要可靠的資料分享平台，以確保資料在整個物聯網系統內外都可以正確無誤地傳輸與分享。即時的機器對機器(M2M)溝通可以杜漸防微，在生產設備發生微小問題時即發出警告，以防止問題持續或擴大而造成運作不良、影響效率。

分散式的DDS(資料發布服務)系統可以大幅改善傳統主從式(Client/Server)架構的缺點，提供一個更具彈性的網路模型，DDS扁平的、簡單的、解耦的結構，可以允許點對點(peer-to-peer)溝通、群播(multi-cast)及動態發現(dynamic discovery)功能，免除單一節點故障或資料傳輸延遲，相當適合具有實時性(time-determinism)的工業物聯網(IIoT)應用。

發展雲端／霧層應用

一旦資料分享平台就位，設備運作資料即可送往雲端進行大數據分析，並發展新的應用；有些資料分析也可就近在網路邊際進行，以增加效率，這就是所謂的「霧次系統」(Fog subsystems)。

例如，透過使用「機器學習」(machine learning)模組，可以實施預防性的維護系統(Preventive Maintenance Systems)，來預測設備元件的使用壽命，而在故障或停機發生之前就預先維修或更換零件，如此可以把設備故障對生產活動造成的衝擊降至最低。

物聯網系統並可進一步將廠區既有的應用項目─如製造執行系統(MES)、能源節約系統(EMS)等─連結到營運管理面的資訊系統，例如企業資源規劃(ERP)、庫存管理、客戶關係管理(CRM)等系統，以及其他。

當所有系統及元素都連結、整合成一個大的物聯網管理系統時，資料可在各子系統邊境自由流動進出，而得以支援、產生出許多相關的應用。

管理階層可以即時監看所有廠區的生產活動，同時可從雲端資料庫獲得歷史統計資料及趨勢圖。物聯網所控制的智慧製造有助於加強跨廠區的品質控管，並且改善資源配置和庫存控制。

大數據分析實現了資料庫的深度探取，可從中獲取有價值的情報，使決策階層得以發展出更具有洞察力和預測能力的營運決策。


打造未來智慧工廠
Building a Smart Factory of the Future

英特爾近來與某些頂尖的電子工廠合作，展開一項智慧工廠先導計畫，希望提供一個由網路連結的智慧化生產環境的示範模型，而於不久的將來擴大推廣。

一家電子工廠被選中作為示範工廠，目標是將該工廠既有之生產線元素連結到網路，以改善生產品質與效率。

這項示範工廠使用的工業物聯網平台由英特爾和凌華科技共同提供，凌華是英特爾倡導成立的「英特爾物聯網解決方案聯盟」(Intel® IoT Solutions Alliance)首席成員之一。該工業物聯網平台實現了：

1. 從工廠既有生產元件、新增設備、及資料分析平台有效率地獲取資料
2. 整合既有元件成為全套的智慧生產線
3. 串連整個生產環境的安全穩定網路連線
4. 客製化的物聯網平台，提供邊際、雲端、車間、企業資源規劃系統等服務，支援大規模生產作業之優化。

因而，本方案在生產端安裝了許多遠端終端及遠端控制單元(RTU/RCU)，以方便從未連網的既有裝置和設備獲得控制和操作資料，再透過布建了資料分發服務(DDS)軟體的物聯網閘道器將資料傳送到後端平台，而實現生產作業的遠端即時監控。

從生產線擷取的原始資料包括了機器名稱、材料編號、編程名稱、標準參數、生產統計、生產成功/不良計數、機器狀態、指示燈和警報代碼資訊、所有統計資料的執行時間，以及其他。

為了確保整體網路連線的安全和可靠，本方案選用DDS標準之資料分發平台。以「發行／訂閱」之通訊架構為基礎之DDS平台，具有扁平化、簡單、解耦、分散式架構之特色，可以進行「點對點」溝通及群播功能，無需透過中介設備，也因而可消弭因單一節點故障造成的網路延遲，對於需要高度時間決定性之應用系統而言，DDS可提供絕佳之可靠性和可擴展性。

系統會紀錄生產線上的產量與零件使用，並就製程中的半成品進行品質檢驗分析，就各生產係數、所有會影響品質和安全的因素進行即時報告。使用者並可自行設定警戒系統之警戒參數。

一旦有警報發布，會馬上上傳通知予管理系統以及所有受影響的工作站，令相關人員或工作站採取適當措施，避免錯誤的操作持續下去而造成生產線癱瘓或停擺。

當系統累積到足夠的歷史資料，即可發展問題預警功能，而協助產生主動的、先發的維修作業，避免裝置在操作中發生故障，防止當機或將當機時間縮到最短。

同時，藉由累積品管檢測資料，系統還可產生模式來改善檢測準確度，避免因錯誤的檢測而造成生產上的損失，而能改善良率。

凌華解決方案  ADLINK Solutions

凌華結合經市場證明之科技專業、以及多年來耕耘自動化、通訊、工業運算領域之經驗，所提供之產品，其整合性和功能在出廠前皆經過充分驗證，讓OEM廠商之解決方案得以快速上市，無需經過冗長調整及測試過程。

凌華智慧工廠解決方案可加速尚未聯網的工廠棕地變綠地，打破達到工業4.0標準的障礙，讓工廠藉由以工業物聯網為基礎的智慧製造，優化生產作業、提升效率和利潤。凌華解決方案產品包括：

MXE-200i 系列物聯網閘道器

MXE-200i是強固、可靠、應用就緒之嵌入式邊緣電腦，可協助已經安裝了感測器之工廠設備或其他資產連結到其他網路邊緣裝置、以及（或）雲端應用系統並分享資料。MXE-200i搭載Intel® Atom™ E3826 SoC處理器，支援英特爾物聯網閘道器(Intel® IoT Gateway)解決方案，同時預載Wind River® IDP XT 2.0/3.1智慧型設備平台，可實現完整的物聯網功能。MXE-200i是目前市面上強固性最高的嵌入式物聯網閘道器，適合應用於嚴苛環境，並符合工業等級的防止電磁干擾和電磁耐受性標準(EN61000-6-4,61000-6-2)，可保護客戶資產並降低整體持有成本(TCO)。

Matrix MXE-5500 系列

MXE-5500系列為四核心強固型無風扇電腦，搭載英特爾第六代處理器Intel® Core™ i7-6820EQ/i5-6440EQ/i3-6100E，運算能力較前一代中央處理器大增30%，圖形運算速度也快上30%，且具備硬體媒體編解碼器，可支援4K超高解析度顯示，性能優越。

凌華科技是英特爾物聯網解決方案聯盟首席夥伴成員之一，產品支援英特爾的物聯網解決方案架構，並搭配凌華新近併購之網路軟體公司PrismTech，提供以DDS標準為基礎之硬體和工具，完整供應DDS平台物聯網之雲端、閘道、霧層所有需要之產品。

在未來數月，凌華將推出完整端對端(end-to-end)平台解決方案，因應物聯網布建之所有需求，提供易於布建、使用、成本效益高之產品配方，可在幾乎所有製造業環境中成功建立物聯網所需之網路連結。