自動化設計的三大隱患

November 5, 2019 Brandon Lewis

物聯網,工業物聯網,工業4.0

在工業物聯網的世界,可靠一致的資料就是王道。

然而,自動化機器卻容易受到效率不彰、停機,甚至是故障影響。另外,在高度自動化的工廠環境中,設備故障的影響可能代價高昂。舉例來說,自動化檢查系統內資料損毀或遺失,可能導致整條生產線停擺。

另一方面,資料運用得宜,則可盡量減少或徹底避免這類事件發生。然而,自動化工程師在設計新一代自動化系統的工業物聯網技術和資料架構時,必須避免常見的錯誤。

三大常見設計錯誤

即使謹慎規劃可能增加專案研發階段的成本,但相較於中途新增功能,或重新設計整個電子系統,這筆費用便宜多了。

可靠性、安全性以及遠端管理方面的錯誤,可能導致資料導向工業物聯網系統設計後期,工程方面必須重做。

#1:重成本,輕可靠性

工業自動化設備的部署環境嚴苛,先決條件顯然是挑選零件。然而,許多工程團隊卻被迫必須在可靠性和成本之間取得平衡。

零件的評估往往涉及一些明顯的參數,例如作業溫度範圍、衝擊和振動容限,以及儲存裝置會面臨的編程/清除週期。如果產品的這些參數符合標準,最低價格通常會勝出。

然而,還有其他因素或許隱而不顯,但卻可能在日後左右系統設計成敗。舉例來說,系統在供電電壓波動 (工廠環境常見的情況) 時的表現如何。既然物聯網系統極為仰賴資料,儲存裝置就必須在電力突波、衰退或停電時,保護並保留資料。

#2:安全設計過晚展開

工業自動化裝置傳統上是在封閉式作業網路作業,因此相較於電子設計這個必要條件,安全性更像是一種實體概念。工業物聯網網路的設備資料,必須向其他商業和分析系統公開,使得自動化機器面臨了網路方面的威脅。

Innodisk 資深業務開發經理 Edison Shih 表示:「請試想廠區的自動化光學檢查系統。」「如果有人駭入裝置,然後產生錯誤的資料,進而可能造成檢查系統無法偵測瑕疵產品呢?最終,這件事可能對開始量產及配送瑕疵產品的工廠,造成巨大的影響。」

在孤立系統中,像是儲存設備內建的寫入保護這類功能,有可能提供一層額外的安全性,避免駭客或惡意軟體竄改機器資料。此功能必須為儲存技術所固有,否則可能暴露危及整個系統堆疊的漏洞。

#3:自製的遠端監測與管理

由於工廠自動化裝置的部署地點往往危險或進出不便,因此工程師必須考量可以遠端監測和控制裝置的所有方法。

遠端監測和管理需要可靠的感應器、本機分析軟體,以及穩固的網路連線。還需要遠端視覺化儀表板,以進行自動化警示以及深度分析。開發這類端對端平台,可能比原始系統設計本身更勞師動眾。

個案研究:在工業物聯網儲存裝置進行高產量包裝

有一家工業自動化公司,能夠在設計高速食品包裝系統時,避開這些隱患。透過與 Innodisk 攜手合作模組化物聯網儲存架構,該設備每分鐘能夠包裝 300 件食品,幾乎完全不停機,而且還達成了五到十年的生命週期。

這套食品包裝系統的基礎,是高耐用度的單層單元 (SLC) 快閃記憶體技術。相較於以多層單元 (MLC) 和三層單元 (TLC) 架構為基礎、更新的消費級快閃記憶體技術,SLC 快閃記憶體提供的讀/寫錯誤率較低、作業溫度範圍較廣,而且支援的編程/清除 (P/E) 週期更長。

舉例來說,Innodisk 的 SLC 型記憶體產品,如 3MG2-P SSD 等,提供了高達 3,000 P/E 週期,平均故障間隔 (MTBF) 超過 300 萬小時。這些產品實作於跨接的擴充卡,使該製造商得以輕鬆投入技術和外形不同的儲存裝置產品。

然而,為了盡量延長食品包裝系統的執行時間,Innelodk 採用以下輔助可靠性功能,支援其記憶體和儲存裝置:

  • iPower Guard:保護 SSD 避免因啟動和關閉保護機制供電電壓不穩而造成實體損壞。
  • iCell:延長 SSD 的緊急剩餘系統電力,原本是業界平均的 2 ms,現在則是 60 ms,這樣一來,即可從快取記憶體將記憶體寫入快閃記憶體單元。
  • iData Guard:完成任何進行中的讀取或寫入作業,並且防止 SSD 在突然停電的情況下,在只剩低電量偵測和復原能力時,接受新指令。智慧型演算法會在停電前後接手,以儲存資料並重新對應記憶體表格。

從安全性的觀點來看,Innodisk 在其儲存裝置產品加入了好幾道保護機制。首先是 ATA 安全密碼,這個密碼於製造時設定,儲存於磁碟機安全區。這個密碼是開機前與主機系統進行加密金鑰交換的基礎,也用於寫入保護和配對檢查這類功能 (圖 1)。

ATA 安全密碼為安全的開機程序提供基礎。ATA 安全密碼為安全的開機程序提供基礎。(來源:Innodisk)
圖 1。ATA 安全密碼為安全的開機程序提供基礎。(來源:Innodisk)

最後,Innodisk 的 iSMART 遠端監測和管理軟體,就裝置的讀/寫行為、耗損平均技術、溫度以及預估剩餘生命週期,提供了指標。使用者甚至能在發生入侵時執行安全清除功能 (圖 2)。

遠端裝置監測和管理軟體,可深入分析系統健全和安全性。(來源:Innodisk)
圖 2. 遠端裝置監測和管理軟體,可深入分析系統健全和安全性。(來源:Innodisk)

這份資料是在 Innodisk 的 iCAP 雲端管理平台擷取及顯示 (圖 3)。此外,得益於對 Windows 和 Linux 作業系統的支援,該包裝自動化公司得以利用標準 API,在剩餘系統延伸 iSMART 功能。

Innodisk 的 iCAP 雲端管理平台是一套遠端視覺化儀表板,便於監測裝置健全與狀態。(來源:Innodisk)
圖 3。Innodisk 的 iCAP 雲端管理平台是一套遠端視覺化儀表板,便於監測裝置健全與狀態。(來源:Innodisk)

選擇 iSMART 和 iCAP 這類現成的解決方案,能夠為設計團隊節省大量的時間與成本。唯一的先決條件是 2 GB 的系統 RAM,以及時脈速度至少 1 GHz 的主機處理器。所有 Intel Atom® 處理器都能提供這個水準的效能,能夠透過原生 SATA 界面存取 Innodisk 儲存技術。

以工業物聯網推動機器自動化

亙古至今,機器自動化持續用於取代人類操作員,其自驅式設備提供的準確性、速度與效率水準更高。工業組織因而得以提升員工安全、降低人力成本,並且提高生產量。

然而,不管高度自動化的機器有多好,也要它們所仰賴的資料可靠才行。在這類連線的工業環境中,資料遺失、毀損或遭竊的後果,可能比人力工廠最慘的事故還嚴重。

為了避免這類事件,工業自動化工程師必須在產品開發週期開始時就進行盡職調查。基礎的物聯網資料儲存技術可以提供可靠性、安全性和管理功能,協助這些工程師及時避免設計隱患。

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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