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工業 4.0:從實體連線到雲端

工業物聯網, 工業 4.0

高瞻遠矚的製造業者,選擇邊緣人工智慧與電腦視覺等轉型技術,以增強敏捷度、提升生產力,以及降低成本。但誰也想不到,將工業端點連結至雲端看似簡單,實際上竟是如此困難。

這是由於目前存在太多工業通訊協定,才引發這種硬體問題。目前有數百個標準與自訂工業協定。而且糟糕的是,個別所使用實體介面也不盡相同。

只要看看最多人使用的工業協定。串列、顯示、工業乙太網路、數位,以及通用通訊,全都使用不同的實體介面。對於擁有標準介面組的現成閘道解決方案而言,這麼多不同實體介面的問題,在於許多工業應用程式需要自訂的 I/O 組合。工業的空間與資源也相當昂貴,因此不可能負擔得起甚少使用,甚至從來不會用到的無謂的連線能力。

硬體若是不可交互運作,未來的工業物聯網使用者將不得不在兩條道路之間選擇其一:將不同的協定翻譯閘道串成菊鍊,以取得應用程式所需的所有 I/O,或是打造自訂的解決方案。

無論選擇哪一條路,都將所費不貲。

應用程式專用物聯網的彈性介面

工業電腦與嵌入式運算解決方案供應商 American Portwell Technology 提供另一種選項。這家公司的模組式 KUBER-2000 系列,以混合式方法解決 I/O 問題,既有現成系統的成本效益,又仍具有彈性(圖 1)。

Portwell 閘道產品,顯示可用的 I/O 埠
圖 1. Portwell KUBER-2000 系列工業閘道解決方案,能符合各種不同的工業物聯網 I/O 需求。(資料來源:American Portwell Technology, Inc.

六個 KUBER-2000 IPC 的每一個,都使用搭載雙核心或四核心 Intel® Celeron® N3350 或 Intel Atom® E39XX 處理器,以及標準 I/O 套件的共用技術平台。這些介面包括:

  • 雙吉位元乙太網路埠
  • 至少兩個 USB 3.0 連接埠
  • 雙插腳終端段
  • DisplayPort 連接線

除了這些以外,Portwell 也以各種方式將連線能力擴展到其所有的 SKU,以滿足應用程式特定的需求。例如 KUBER-212A 的無雜訊 LAN 與 COM 連接埠能提升系統容錯度。KUBER-212B 提供的 GPIO 與 CANbus 支援,則是賦予系統自動化控制的功能。

整體而言,KUBER 平台可支援無線通訊,包括 Wi-Fi、藍牙、GPS/GNSS、LoRa,以及 4G/LTE。另外還有 MQTT、OPC-UA、Profinet/bus、Modbus,以及 PLC 61131-3 軟體堆疊。這只是平台以及平台的各種介面,在本地支援的自動化中心協定的少數例子。

現成工業 4.0 閘道組合建立了共用的模組式硬體架構,可執行各種功能,從物聯網邊緣管理員或 PoE 交換器,到 SoftPLC 或自動導引車(AGV)控制器。

通用的雲端連結

這些系統必須能在現場總線通信,彼此之間才能互通重要資料,也才能與雲端互通重要資料。完整平台介面與協定堆疊支援確實能提升邊緣連線能力,但還是需要協助才能將資訊傳送給企業。

Portwell 的工程師將嵌入式技術標準化組織(SGeT)的通用物聯網連接器(UIC)標準,納入 KUBER-2000 軟體堆疊,實現這項目標。

UIC 是一種連線架構,能讓嵌入式裝置使用 MQTT 或 XRCE 訊息協定,與雲端基礎架構交換資料。UIC 將使用不同協定的不同端點,連結至串連數百台裝置的單一異質網路。

這種開放原始碼、可接納各種硬體的工業標準,包含三大部分:

  • 嵌入式驅動器模組:驅動器透過與上述類似的介面,將嵌入式系統與周邊系統或其他系統連結。
  • 通訊代理者:一種軟體元件,將雲端應用程式伺服器初始化,並與其通訊。
  • 專案代理者:一種組態工具,可指示嵌入式系統要使用哪些周邊系統、如何處理資料,以及將資料傳送至通訊代理者的頻率。

這些 UIC 模組讓超過 500 個雲端解決方案,都擁有遠端管理與連線能力。這些模組的其中之一,也就是 Microsoft Azure 物聯網,最近認證 KUBER-2000 系列為其生態系統的一部分。

工業級標準需要工業級可靠度

工業物聯網具有徹底改革製造作業的潛力。但執行邊緣至雲端應用程式的裝置,包括負責執行預測性維護與員工安全應用程式的裝置,若是缺乏有效率、符合成本效益的通訊方式,工業物聯網就無法發揮效益。

無論是在新工廠還是傳統工廠,可交互運作性與標準,都是接納所有設備的基礎。不妨從可支援開放軟體,具有彈性的模組式硬體開始。

作者簡介

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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