深入了解智慧工廠:IIoT 創新模式

世界各地的組織正在將物聯網(IoT ,Internet of Thing和業務緊密整合,此一行動不只能改善營運,也能跟上世界其他地區的腳步。物聯網有很大一部分一直用於工業,這部分也有其他名稱:工業物聯網 (IIoT)

IIoT 是資訊科技 (IT) 和營運技術 (OT) 的融合。一直以來,IT 和 OT 都能在大多數組織中共存,但是通常分開作業。科技的進步使物聯網不再是妄想,包括無線感測器、無線射頻辨識 (RFID) 標籤、進階資料分析、普及運算,也讓 IT 和 OT 系統的整合指日可待,進而擴展這兩種技術的各種功能。

IIoT 是許多行業正在進行的變革核心,與被稱為第四次工業革命或工業 4.0 的現今製造業趨勢緊密相關。IIoT 和工業 4.0 提出科技進步帶來的概念和現實,許多概念與現實以具體實施的例子解釋會比較容易理解:智慧工廠。

什麼是智慧工廠?原理又是什麼?

智慧工廠間差異很大,因為公司會採用專屬於各自產品的元件和流程。然而,智慧工廠仍可透過某些共享特性區分,這些特性使智慧工廠有別於傳統工廠。

智慧工廠的製造過程通常高度數位化和連網,能執行超出自動化的延伸功能。網路連線使智慧工廠能使用從周邊環境收集的資料作為基礎,對內部和周圍可能發生的任何變化能更自主、更能適應、更靈活地反應。換句話說,智慧工廠具背景感知能力。

智慧工廠要啟用這種功能,必須有能從周圍虛擬世界與現實世界獲取資訊的後台系統。如此一來,從模擬模型 (虛擬) 到工具狀況 (現實) 的資訊,都可以在智慧工廠裡流通。現實和虛擬世界的資訊融合是透過網宇實體系統 (CPS) 和物聯網系統協同運作來實現,以增進工人操作機器的能力:

  • 網宇實體系統:諸如機器人和製程控制系統之類的 CPS 需要整合實體、運算及網路過程,每個過程才能互相影響。CPS 主要負責建立實體過程和環境的虛擬副本。
  • 物聯網系統:雖然 CPS 的重點是實體、運算、網路過程如何相互影響,但物聯網系統的重點是將智慧物件或裝置 (如感測器和自動化控制設備) 連接到網路以擴大其功能。智慧工廠的環境中,物聯網系統將 CPS 連結在一起。

CPS 和物聯網系統的結合賦予智慧工廠某些特性,這些特性可以透過工業 4.0 的六個設計原則中的四個來解釋。從工業 4.0 的文獻探討中得出,這些原則有助於公司和製造商建立更加數位化的生產鏈:

  • 互通性:物聯網有一個重要特性,讓智慧工廠生產鏈中的重要機器和其他裝置可以相互通訊,也可以用網路通訊。
  • 虛擬化:因為 CPS 能夠監控實體過程,所以智慧工廠可以模擬或建立周邊現實環境的虛擬副本。這使智慧工廠能夠整合虛擬和現實世界的輸入。因此,智慧工廠能夠使用過去 (模擬) 和現在 (即時監控) 的資訊以高度針對情境的方式運行。操作人員也能更透明地觀察整個製造過程。
  • 去中心化:智慧工廠的控制不限於單個運算單元。由於 CPS 能獨立運作,智慧工廠可以更靈活、更完善地解決問題。
  • 即時能力:智慧工廠有能力對可能突然發生的問題作出回應。即時監控資料,讓工廠可以回應周圍發生的事情。這種持續監控流程的能力也讓智慧工廠能注意到,甚至預測可能導致嚴重後果的異常情況。

智慧工廠的特性是,能跨廠區對生產鏈其他部分有廣泛影響和連網能力。智慧工廠能在同樣智慧和連網的企業範圍內發揮最大作用,範圍內所有部門會保持連線,甚至延伸到企業外部的客戶和供應商。

智慧工廠有什麼優點?

最近一份報告指出,智慧工廠是製造商未來的計劃,因為製造商優先支出的項目包括智慧工廠元件:物聯網解決方案、先進的機器人技術、進階分析、網路安全。智慧工廠的主要優勢足以說服製造商將這些設施納入生產鏈:

  • 從自動化資料中提供全面資訊。製造公司的經理或決策者將更容易獲得用於進階生產分析的大量資訊,這些資訊可用於實施計劃和評量績效。
  • 提升產品品質。智慧工廠的各方面,例如數位雙胞胎 (實體資產和流程的虛擬等價物),可以在產品推出前持續監控產品品質。豐富的資料還有助於偵測影響產品品質的模式。
  • 降低生產成本。智慧工廠的自我最佳化特性有助於簡化流程,提供製造商反饋,以找出整個生產鏈中的多餘或適得其反的步驟。
  • 提供預測性維護。智慧工廠的能見度使製造商能在其他設備或整個生產鏈受到重大影響之前,發現差錯或維護問題。智慧工廠這一方面也能透過減少設備故障導致的事故,保障員工在廠房的安全。

實施智慧工廠面臨哪些挑戰?

儘管智慧工廠對企業有正面影響,是否採用仍是重大的決定。即使是製造過程中的小變動對企業來說仍可能是一個重大的決定,因為有影響企業聲譽、生產品質和速度的風險。因此,全面實施智慧工廠不只是建立智慧工廠而已,還要為未來可能面臨的問題做好準備。

其中一個更迫切的挑戰是,智慧工廠需要大量資料。因此在建立智慧工廠之前,企業必須有合適的通訊協定和系統,才能正確使用和處理如此大量的資料。 IT OT 整合的智慧工廠會遇到的安全威脅範例

智慧工廠中 IT 和 OT 的整合也擴大了企業的攻擊面,傳統安全措施不太會充分考慮這部分,例如,可能不適用於 OT 的區隔安全解決方案。正因如此,智慧工廠不僅容易受操作問題影響,也容易受到帶有惡意軟體的網路攻擊、勒索軟體、分散式阻斷服務 (DDoS)、魚叉式網路釣魚漏洞、裝置遭駭等影響。

[請參閱:在新的整合環境中將安全整合到物聯網策略中]

建造智慧工廠

從傳統獨立技術 (IT 和 OT、虛擬和現實) 的緊密整合中獲取線索,想建造智慧工廠的公司必須確保其 IT 和 OT 專家從規劃階段到實施過程都能密切合作。

考慮到智慧工廠的日新月異,製造商在智慧工廠建成後也必須繼續發展。即使這些設施生產更加自主,智慧工廠如何實現公司的總體目標仍然取決於公司決策者。

想完美完成智慧工廠的準備,必須在設施設計中緊密整合安全解決方案,以支援智慧工廠過渡過程,才不易受到廣泛攻擊面的威脅。維護 IT 和 OT 的部門應該分享專業知識,彼此才能採取兩種技術的正確安全保障。

為了充分發揮智慧工廠的潛力,企業必須明白,實施智慧工廠是一個反映智慧工廠實現的漸進發展過程。製造業是展示科技進步轉折點的產業之一,智慧工廠展示最近 IIoT、CPS,以及使這兩者成為可能的眾多元件所帶來的創新。實際上,發展的趨勢是傳統封閉環境技術的融合和整合,以及隨之而來的創新空間。

來源:A Look Into Smart Factories: A Model of IIoT Innovation