案例研究:如何擴充您的工業物聯網專案

December 26, 2018 Brandon Lewis

在物聯網出現以前,工業物聯網系統的設計師就面臨著嚴峻的互通性與連線性挑戰。這些困難包括將新舊裝置整合至統一的系統、支援各式各樣的連線技術,以及處理不一致的網際網路存取。

舉例來說,丹麥的貨櫃船運公司 Maersk Group 開始著手連線他們的冷凍貨櫃。該公司遠端貨櫃管理 (Remote Container Management, RCM) 解決方案的目標是在從倉庫到目的地的過程中監控 250,000 個貨櫃,並提供地理位置與內部溫度等 140 種資料點可見度。透過將此資料連線至以雲端為基礎的儀表板,OEM 與客戶便可避免裝運遲延或商品腐敗等意外。

但有一個問題:貨櫃控制單元是由不同的供應商所提供。即使是相同供應商的控制器也經常具有不同的通訊介面或不同的韌體,使得無法運用當時市面上的解決方案來打造一致的監控解決方案。

因此,需要一種新的方法來正規化不同控制器所傳來的資料,以擷取至 RCM 後端。此解決方案也需要具備擴充性以支援現有的貨櫃箱隊,以及未來數以千計要上線的新單元。

成功擴展至工業物聯網:學到的經驗教訓

Maersk RCM 解決方案需要可延伸的軟體解決方案,且不受裝置、資料和連線能力的限制,並能跨整個平台架構維持一致的資料流。許多製造商嘗試運用現有的技術元件來滿足 RCM 專案的需求,但大部分都無法滿足最終目標。

領悟其他組織遭受過的挫折後,RCM 計畫中有兩位 Maersk 的開發主管人員從專案過程中學習到了幾個重要的經驗教訓,能引導他們部署成功的解決方案。其中包括:

  • 完整範圍試驗—Maersk Line RCM 等大規模工業物聯網專案需要快速、反覆的測試。這能使開發者對系統導入過程的複雜度與擴充性以及商業案例進行全面的測試。
  • 通用裝置支援—為了實現在 RCM 專案層級進行擴充,應盡可能普遍支援裝置。這不僅能使工業物聯網解決方案盡量擴散到最多端點、擷取最多資料,還能透過單一程序,從系統中的所有資產衍生出商業價值。
  • 擷取所有資料—因為資料能引導出嶄新的潛在想法、應用和成果,應盡可能擷取最多資料。這對原型製作與實作階段尤其重要,但應維持在工業物聯網的整個生命週期中。這需要能擷取多種不同格式資料的可延伸架構。
  • 頻率與尺寸的對比—相較於大規模、孤立的實例,較小型且較頻繁發生的事件比較有可能對工業物聯網專案造成影響。因此,在建立商業案例和測量事件發生數量隨時間造成的個別影響時,盡可能擷取最多資料是必要的做法。
  • 簡單易用—對大規模採用來說,重要的是簡便與迅速的特性,以及讓非技術性的操作人員也能學習並運用您的技術。這尤其適用於 RCM 解決方案,其技術通常都在遠端位置部署,現場人員並不具有網路、通訊等技術的經驗。隨插即用解決方案可最小化錯誤與平台部署時間,以加速實現投資報酬 (ROI)。

這些考量有助於 Maersk 團隊滿足 RCM 產品線的要求,包括將來自不同供應商數千種互異的控制器整合至統一的後端架構的能力、支援多種不同的連線技術,以及為間歇性存取網際網路的貨櫃提供解決方案。

Maersk Line RCM 面臨的挑戰,以及開發來解決這些挑戰的最佳實務,通用於製造業、公用事業、石油與天然氣,以及商業大樓等產業中的大規模工業物聯網專案。這項體悟促使了Omnio 的誕生,以及其隨插即用的工業物聯網上線解決方案。

連線不同的控制器與資料模型

Omnio 物聯網上線解決方案可連結超過 10,000 種末端裝置機型,像是來自 ABB、Danfoss、Schneider Electric 和 Siemens 等製造商的機型,其中更包括 PLC 等並非專為雲端連線所設計的裝置。由於支援各式各樣的裝置,因此能夠整合老舊工業設備與現代工業物聯網裝置,使得解決方案能達到大規模的擴展。

為了從互異的營運技術 (OT) 裝置擷取資料,Omnio 軟體相容於 Modbus、Profibus、DeviceNet、Ethernet/IP 和 Bacnet 等工業通訊協定。在從各式通訊協定汲取輸入值之後,平台會將資料轉換成與物聯網相容的格式,例如 MQTT、OPC-UA 或 HTTPS,以傳輸至本地邊緣閘道或雲端。

Omnio 閘道軟體的其中一項關鍵功能為正規化層級,可標準化資料模型與描述元,以供上傳到客戶的後端工業物聯網監控解決方案中(圖 1)。舉例來說,如果有兩個分別使用華氏與攝氏單位進行溫度分類的控制器,Omnio 正規化軟體可以將這些值轉換為具有一致標籤與單位的統一資料集。此層級的輸出格式為 JSON 或 OPC-UA 等企業相容的格式。

圖1. Omnio 閘道軟體內的資料正規化層級可標準化資料模型、描述元以及標籤,並以企業相容的格式輸出這些資訊。(資料來源:Omnio

Omnio 解決方案的另一個核心功能是可以從間歇性存取網際網路的裝置擷取資料。Omnio 軟體支援一種稱為預試運行 (Pre-commissioning) 的功能,讓平台可在僅有微弱連線或無連線的情況下開始擷取區域中的裝置資料,因此能保留關鍵資訊。

運用 Intel® Secure Device Onboard (Intel® SDO) 達成工業物聯網簡化

因為在物流、製造,或石油與天然氣方面的使用者可能不具有上線裝置的足夠技術知識,此時簡化度就十分重要。為了簡化讓貨櫃控制器等裝置上線的複雜度,Omnio 仰賴 Intel® Secure Device Onboard (Intel® SDO) 這類的技術。

Intel SDO 是一種不限物聯網平台的功能,運用獨特的 Intel® Enhanced Privacy ID (Intel® EPID)  和硬體安全措施,快速安全地透過雲端佈建連網系統(圖 2)。以 Apollo Lake 微架構為基礎的Intel® Pentium®、Intel® Celeron® 和 Intel Atom® 處理器皆搭載此功能,Intel SDO 亦搭配可擴充系列的工業級處理器,為工業物聯網邊緣運算應用提供不同層級的效能。

圖2. Intel® Secure Device Onboard (Intel® SDO) 運用獨特、以硬體保障安全性的裝置 ID,藉由物聯網雲端平台快速上線以Apollo Lake 為基礎的系統。(資料來源:Intel® 公司

持續的擴充性

與物聯網的消費者形式不同,工業物聯網架構必須支援數十、數百,甚至數千個節點,其中許多為採用不同連線技術組合與資料通訊結構的老舊節點,且可能分散在廣闊的地理區域。工業物聯網解決方案必須輕鬆上線這些裝置、順暢整合它們的資料,並快速提供價值與投資報酬。

在 Maersk Line RCM 產品開發期間所學習到的經驗教訓,讓 250,000 個裝運貨櫃能連線至統一的監控平台,而無需使用相容的韌體和通訊技術來改造每個控制器。加上此解決方案能輸出經過正規化的 IP 相容資料封包,因此來自貨櫃控制器的資訊可輕鬆傳輸至寬廣的區域,也能傳入雲端。透過此方法,RCM 產品線便能克服末端裝置的多樣性,而達成大規模的擴展,使 Maersk  在過去九年中,將貨櫃箱隊擴張到超過 380,000 個。

現在,Omnio 隨插即用上線解決方案這類的解決方案不但現成可用,還能提供同等級的整合性、互通性、延伸性,以及快速的上市時間。Omnio 平台已經支援大部分常見的裝置類型與通訊協定,並可在短短數日內增加新的類型。

雖然沒有兩種完全相同的工業物聯網,只要謹慎規劃和開發上述的核心最佳實務,就能使各種工業市場中的組織最大化裝置支援度、資料擷取能力,以及連網部署中的易用性。這是讓您通往更高層次的互通性與擴充性的藍圖。

作者簡介

Brandon Lewis

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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