為何智慧工廠需要高時效性的網路功能

October 16, 2018 Robert Moss

時至今日,工業物聯網 (IIoT) 的效益應已顯然可見,但是許多製造商仍然未能順利導入此技術。

追根究柢,常可發現問題源自於舊有資產的多方限制。工業設備雖然大多能夠收集資料,但卻常難以從老舊機械擷取並共用數據。此狀況使得資料數據常各自孤立。

甚至在能夠取得資料之時,也常以非同步方式收集,並使用無法輕易與外界共用的格式儲存。這些限制使得系統無法實現即時控制,也使企業難以徹底掌握所有產線的運作狀況。

然後還有成本的問題。製造商想要收集的資料量會阻塞現行的網路與儲存系統,而升級這些設施的費用卻可能令人卻步。

最後,則是營運技術 (OT) 與資訊技術 (IT) 的乖離。在許多工業環境中,OT 系統使用專屬的網路和通訊協定,而 IT 系統則使用通用技術。這些系統之間的鴻溝並不容易克服。例如,IT 系統依靠乙太網路通訊,使用的是「最佳努力」傳輸方式,並不適合時效性數據。

時效性網路 (TSN) 和邊緣處理

為克服這些挑戰,工業組織可結合時效性網路 (TSN) 和邊緣處理進行部署。

TSN 是乙太網路 IEEE 802.1 標準的進化版,專為即時、確定性的通訊所設計。其中規範兩大關鍵概念:

  • 同步化:網路上的所有裝置均使用共通的時間參照。通常,這是利用 IEEE 1588 精確時間協定 (Precision Time Protocol),經由乙太網路訊框建立分散式時鐘。
  • 排程:所有裝置在處理與轉送封包之時,均遵守相同的規則。其中包括保留頻寬與時間格的規則,以及選擇通訊路徑的規則,包含使用多重路徑確保容錯度的方式。

簡而言之,TSN 視網路流量為優先以確保時效性數據的可用性,讓需要準確、協調化數據的工業應用能夠確實掌握資產與製程的狀況。也由於 TSN 是一種乙太網路,因此能夠相容現行 IT 系統。

但在同時,TSN 卻與傳統乙太網路的最佳努力方式顯然不同。從 A 點傳輸資料至 B 點失敗而重新傳送,在電子郵件與其他應用或許可行,卻沒有足夠的資料同步性能可讓工業設備以可靠、安全又正確的方式運作。

TSN 結合標準 IT 技術與即時的決定性,因而非常適合邊緣運算的架構,將資料擷取和處理功能從資料中心向外移至網路邊緣。這項移動不僅減少了需要上傳到雲端的營運資料量,更提供另一大技術優勢:為部署和執行預防性維護程式所必須的控制工作實現近乎即時的回應速度(圖 1)。

圖 1. 將資料擷取和處理功能移往邊緣節點,可為控制工作實現近乎即時的回應速度,也能減少上傳到雲端的資料量。(資料來源:National Instruments)

艱困挑戰的可靠解決方案

National Instruments 的 CompactRIO 系統是專為 IIoT、監控及控制應用所設計,提供 IT 團隊運用工業廠房與設施所需的解決方案。此系統提供高效能處理、針對感測器調校的 I/O,以及密切整合的軟體工具鏈,幫助數位化並連線舊式設備。

CompactRIO 的設計可承受工業廠房和生產線的惡劣環境,並整合視覺、動作感測、工業通訊和人機介面 (HMI) 等功能。CompactRIO 系統相容開放式的 TSN 標準,能夠將密切同步的數據資料經由網路在多重裝置上共用。

CompactRIO 系統具備異質性的運算架構:

  • 結合 Intel Atom® 處理器和 FPGA
  • 提供可互換的 I/O 模組,將感測器連線指引至訊號來源
  • 內含特定匯流排或通訊協定的模組,可於即時作業系統中或經由 FPGA 設定,讓通訊和系統整合的彈性大增

每一組 I/O 模組均可直接連接到 FPGA,提供低階時序自訂和 I/O 訊號處理,或可派送到即時處理器,利用直觀易用的 NI-DAQmx API 進行測量與控制。

CompactRIO 的即時控制器均具備 TSN 功能,無需另外的子系統。總計有超過 100 種針對特定測量訊號調校的 I/O 模組可供選擇,且全數均可直接連接到 CompactRIO 控制器。

CompactRIO 系統使用系統工程工具 LabVIEW,能夠輕易整合任何廠商的測量硬體。LabVIEW 的圖形程式設計方法讓使用者能將應用程式完全視覺化呈現,包括硬體組態、測量數據和除錯。此軟體也簡化了複雜邏輯的呈現、資料分析演算法的開發,以及自訂工程使用者介面的設計(圖 2)。

圖 2. CompactRIO 提供耐用的工業規格及機板層級設計,並預載軟體和 LabVIEW 工具。(資料來源:National Instruments)

CompactRIO 原生支援 Security-Enhanced Linux (SELinux),提供增強的安全性和可靠度。SELinux 是採取強制存取控制 (MAC) 的系統,利用安全原則明文規定系統每一個元件允許執行的動作。

縮減意外停機時間

工業產業的工程師常須向公司推薦或為公司選擇一套能夠縮短舊式設備意外停機時間的解決方案。由於涉及相當複雜的系統,因此他們尋求擁有工業製造及資訊技術專業的公司,以其知識和資源來設計有效且可擴充的 IIoT 邊緣解決方案。

National Instruments 的 CompactRIO 系統即是一套 IIoT 邊緣解決方案,幫助企業在網路邊緣從舊式設備的數據擷取深入見解。這些解決方案提供各種測量數據的能見度,讓企業發揮資料導向決策的效益,將工業生產的維護作業從被動性轉型為預防性。

也由於能夠縮短意外停機時間,因此在工業、製造與能源產業的企業均得以提高生產力、改善設備與營運效率、降低成本並且提升安全。

作者簡介

Robert Moss

Robert Moss is an independent consultant and strategist who focuses on the business value technology brings. He also helps give voice to executives at leading technology companies, enabling their personal stories to show how they encourage and develop innovation, overcome obstacles, and improve their leadership skills.

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