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未來的智慧工廠現已問世

AI 技術, 智慧工廠, 工業物聯網

自動化公司先將控制系統從工業閘道連接到邊緣伺服器,接著再串連至企業基礎架構,希望能獲得營運方面的洞見,締造效率和生產力。舉例而言,位於德國安貝格那座製造可程式化邏輯控制器 (PLC) 的 Siemens AG 工廠,早已完成這類數位轉型,可推動發展內建 AI 的品質檢驗或預測性維護等各種使用案。

長久以來,安貝格設施的自動化系統一直都以是獨立隔離單位的方式運作,並未與實體叢集或更廣泛工廠網路中的其他系統個別建立網路連線。因此,執行預測性維護這類功能所需的機器資料,持續禁錮於個別裝置的封閉環境中,無法向執行機器學習工作的高階分析系統公開。

若要推動先進的工業 4.0 使用案例,工廠需要無須根除現有的自動化端點,就能在邊緣實作網路與運算基礎架構的架構重新設計。為了達成這項目標,Siemens 工程師在廠房部署了自家的 SIMATIC IPC 閘道,可匯集多達 10 個端點的控制系統資料、執行預先處理,並且將資料傳輸到鄰近的 AI 伺服器。

「我們過去有數量龐大的機器在當地作業,但是機器之間並未連線,」Siemens 行銷經理 Wolfgang Lay 表示。「如今我們加入 IPC,先從 PLC 收集資料,再將資料傳送到執行 AI 演算法的伺服器。這個作法是為了簡化並改善品質檢驗系統,以及實現預測性維護。」

工業 4.0:以專為物聯網強化的技術為基礎

全球科技大廠 出品的 SIMATIC IPC 產品組合,多年來部署於世界各地。然而,安貝格工廠展示的轉化分析與網路功能,則主要歸功於 IPC227G 與 IPC277G 這兩款小巧耐用控制器所搭載的 Intel Atom® x6000 系列處理器(舊代號為「Elkhart Lake」)(圖 1)。

SIMATIC IPC 的相片
圖 1。SIMATIC IPC227G 與 IPC277G IPC 無風扇也沒有任何移動零件,是專為工業物聯網使用案例所設計。(資料來源:Intel®

雖然 IPC 平台的主要功能是預先處理以及將端點資料傳輸至現場伺服器,但是在某些情況下,即時決策完全可在閘道執行,然後以將在端點執行之指令的方式傳回。全新的工業級 x6000 系列處理器提供兩個或四個 CPU 核心和整合式 GPU(圖 2),其運算強化功能是這項成果的推手。

處理器整合式功能圖表
圖 2。Intel Atom® x6000 系列處理器獲得融合式基礎架構支援,整合了工業與企業功能。(資料來源:Intel®

驅動現今與未來的智慧工廠

這類效能提升為邊緣分析、品質檢驗與預測性維護等 AI 使用案例,提供了綽綽有餘的馬力。同時,製造 SoC 時所採用的 10 奈米製程技術,有助於產生 4.5 W 至 12 W 的熱設計功率 (TDP),讓 SoC 得以在廠房中堅固的無風扇系統運轉。

然而,Atom x6000 系列處理器的物聯網專用功能,才是它在數位工廠部署獨樹一格的原因。

  • Intel® Programmable Services Engine (Intel® PSE):遠端頻外裝置管理、即時控制處理與對時間敏感的同步處理這類卸載工作。從主機 CPU 核心卸載這些和其他功能後,可將更多運算頻寬應用在裝置上的 AI 或分析處理。
  • 乙太網路時間敏感網路 (TSN) 支援:三種支援 2.5 Gbps 乙太網路 TSN 的介面,有利於企業系統和作業端點之間以透明、互通且即時的方式通訊。因此,資料可以在端點與分析處理系統之間,以低延遲的決定型方式傳遞。
  • Intel® Safety Island:這種晶片上的 IP 區塊可搭配 CPU 使用,協調診斷測試、標示故障、報告錯誤,以及監測安全關鍵應用程式的效能。它可通過 IEC 61508 SIL 3 與 ISO 13849 Category 4 PLe 認證,並且確保即使在同一個裝置上運作的較不關鍵分析應用程式失敗,安全關鍵應用程式也能繼續運作。

全新 Intel Atom 處理器的效能提升之後,不僅可直接在裝置執行若干機器學習工作負載,還意味著可以在虛擬機器 (VM) 內執行端點應用程式。除了無須拆卸更換現有設備即可在工廠導入 SIMATIC IPC 系列閘道這類平台,Siemens 工程師還能將較先進的控制工作負載從那些節點轉換至 IPC,延長舊式端點的使用壽命。

目前規劃在 IPC 實作 Hypervisor,在一部 VM 執行 S7-1500 Software Controller,在另一部 VM 執行工業物聯網級 Windows 或 Debian Linux 作業系統。

「運算能力提高之後,我們不僅能將 IPC 當成收集與預先處理資料的閘道,還能針對 PLC 功能,將這些功能都整合於一個平台,」Lay 表示。

富前瞻性的工廠

Siemens 安貝格工廠的資訊架構,以及任何其他採用階層分析法的工業物聯網設施,都必須仰賴 Intel Atom x6000 處理器提供的安全性、確定性與效能技術基礎。

基於重要的理由,這些系統及其資料一直以來孤立封閉。然而,向更廣泛企業基礎架構公開這些系統及其資料的作法,創造了諸多可能性,其重要性不容等閒視之。階層分析可協助現今工廠針對未來需求數位化的方式不勝枚舉,功能上的效能改良與預測性維護只是其中兩種。

 

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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