透过OT与IT的串连，工业物联网的连接是怎样实现的


2011年德国总理梅克尔宣布启动工业4.0后，全球制造业开始掀起智能化浪潮，包括中国的中国制造2025、美国的网宇实体系统（Cyber-Physical System， CPS）、日本的产业重振计划等，除了政府机关外，产业界也开始积极布局，透过工业物联网的建置，链结IT与OT系统，整合制造现场的操作系统与企业端的信息系统。工业物联网被视为下一代制造系统的骨干架构，透过OT与IT的串连，让制造系统中各环节的信息可以被完整撷取并无缝串流，从而达到智能制造愿景。OT系统不求整合只求稳定过去制造业的OT系统与IT系统各自负责的工作泾渭分明，OT系统作为制造用途，大部分的工业设备在发展上，走得一向都比消费性电子产业慢，原因有二。

一是工业设备造价昂贵，安装困难，不可能如手机、PC大约1~2年就会有一波换机潮，而工业设备一般的使用年限都在7年以上，因此设备供货商都起码必须有5年以上的保证供货期间。二 是生产设备首重稳定，能否快速、稳定地持续产程才是业者的第一考虑，毕竟工业设备要求的是最适化而非最高效能的产品，加上消费性产品或标准在刚推出时，都会有一段质量的不稳定期，因此工控产业都会等到该技术标准在市面上经过长期的使用，证明已完全成熟后，才会开始导入。例如控制器，传统PLC长期称霸市场，即使PC技术已成熟多年，但也是到了近期才开始被应用在控制方面，而即使如此，产业中仍有PC-based控制器不稳定的印象存在，认为PLC已可提供最适性与稳定性。

同样的情况也出现在OT系统的工业通讯部分，工业网络从无到有的确是历程艰辛。工业网络不如商业网络的发展迅速有两点因素，首先是成本考虑：要建置网络必须花上一笔费用，尤其是针对一些低阶或是非电子类的设备来说，目前网络设备价格虽已逐渐平实，但对规模不大的厂商来说仍是一笔负担。第二是工业网络标准太多，各工控设备厂商从自身利益考虑，力推自家的网络规格，协商标准统一时，往往不肯牺牲利益而让步。不同的网络协议各有特点和其存在的环境和价值，而当技术不断地被创新，新的协议持续诞生，使用者往往无所适从，担心一但选用了其中一种协议后，会受制于特定厂商。尽管有着上述缺点，面对网络技术所带来的种种优势，工业网络仍开始蓬勃发展起来。其优势最明显的就是省配线，如果可以用一条网络线就将数以百计的组件连接起来，而不必再以并列传输的方式使用数百条传输线，将会大幅减少配线时间与电箱空间；

另则依照软件的观点，每个连上网络的组件都被视为对象（Object），这些组件的新增与移除就可以用软件的方式达成控管，而网络化的组件通常也会加入自我诊断的功能，当组件发生故障时，这些讯息可以透过因特网传回给控制台，控制台再经由网络检测出连接上网的组件来监控并回报。网络的自我建构也同时可以减少系统设定的时间，经由监控每部机器的运作状况所产生的数据，更可提供给企业作为营运参考。三种模式架构新世代工业通讯在智能化趋势下，新世代的工业网络开始启动，从图1可以看出，现在OT系统的通讯设计必须包括数字化、双向、多站等特色。整体来说，现在的发展主要有3种现场总线（Fieldbus）模式：

第一种是专用、封闭型，规范由各家公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高，但是在相互连接时就会显得各项指标参差不齐，推广与维护都比较难以协调。此类专用型工业网络有三个发展方向，第一是走向开放型，使它成为标准，二是继续封闭系统，保持原占有率，三则是设计专用的网关与开放型网络连接。图1 现代化的OT系统的通讯设计包括了数字化、双向、多站等特色。第二种为开放型，不过所谓的开放型并非全面无条件开放，通常无条件开放的仅有一些简单的标准，其他都是有条件开放，或仅对其成员开放。亦即生产厂商必须为组织成员，产品必须经过该组织的测试、认证才可在该工业网络系统中使用。第三种为标准型，例如符合国际标准的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络。这些也都会遵循ISO/IEC7498国际标准，亦即OSI 7-Layer参考模型，工业网络大都只使用其中的物理层（Physical Layer）、数据连接层（Data Link Layer）和应用层（Application Layer）。一般工业网络的制定是根据现有的通讯接口，或是自己设计通讯芯片，然后再依据应用领域，设定传输格式，例如DeviceNet的物理层与数据连接层是以CANBus为基础，再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。

上述三个种类大致架构出目前的工业网络环境，欲建构者可依本身的需求选择适合自己的网络设备。网络在一般IT领域已蔚然成林，技术成熟度已然足够，在OT系统上的应用则仍有成长空间，不过近年来借助智能制造风潮带起的工业物联网，则将加快其发展速度。就目前来看，OT与IT系统所使用的通讯设备有些许程度差异，工业用的通讯设备在设计上会更重视环境的适应度，包括温度、湿度、防尘、防震等，都比IT的规格更严苛。尽管如此，仍有厂商将一般IT设备使用于工业环境，不过如此一来轻则讯号容易传递出错，重则机台当机、产线停滞，因此厂商要建置工业网络环境时，最好还是透过系统整合厂商做整体规画，以免因小失大。

工业物联网 串连四层架构除了上述的三种传统的Fieldbus外，以太网络在近年被大举导入OT领域，尤其在工业物联网架构中，更成为工业通讯不可或缺的一环。在整体工业环境中，目前仍以Fieldbus作为现场层与控制层之间的链接，但在工业物联网系统中，OT架构还往上扩增了操作层与管理层并连接到IT端，而观察目前发展，云端会是主要整合的平台。从架构面来看，工业物联网是由四层产业的产业链组成。第一层为IoT感知层，感知需要大量的感知设备（Sensing Devices），而感知设备之间的沟通技术逐渐发展成以无线为主。第二层是嵌入式平台产业（Embedded），它是一种感知的边缘（Edge），物联网一定是先感知，然后到Edge边缘。第三层是产业应用，第四层是云服务，物联网的云服务是服务「物」的，应用在工厂、物流、零售等，想要把各个场域的感知器连起来，就会需要相关软件程序在其中进行大量的运算与整合，协助数据的分析与应用。

研华技术官杨瑞祥表示，前端的资料搜集与整合大多是依靠硬件，后端的分析与处理则是软件为重，他以研华推出的WISE-PaaS平台为例，此平台串连四层架构，主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供设备联网与无线感测整合的软件服务，透过WISE-PaaS/WISE Agent数据撷取串接传感器进行数据汇流，与IoT边缘智慧服务器（Edge Intelligence Server， EIS）做初步智慧化分析后，WISE-PaaS/EnSaaS链接云端部署进行指令实时下达，实现物联网端到云的快速沟通串流，让数据从搜集到归纳，再串连到云端一气呵成。物联网时代透过云端与网络协助整合信息已经成为常态，杨瑞祥指出，工业物联网未来将从硬件为主的功能导向，走向软硬整合的数据驱动发展，透过整合的云平台将数据分析工作变得更加简便；另外，因应产业的不断变动包括规格、标准、产业需求、新兴应用等，WISE平台也非常强调弹性Design for EvoluTIon概念，期待能透过弹性化的架构与更新机制，满足客户对于上述变动的需求。

由于未来工业物联网应用层面将会不断扩大，每个不同的垂直产业差异性很大，杨瑞祥强调，WISE与大型的云服务平台兼容互补，并不是竞争的关系；研华的云服务可以横跨支持不同的平台，尽管现在大部分的业务模式还是以硬件计价，但软件的搭配已经不可或缺。平均而言，单纯硬件销售的毛利都非常低，与软件有关的云服务营收贡献尽管不高，但却拥有高毛利的特性，部分厂商云服务占营收9%，但却贡献70%的利润。另外，由于物联网应用的碎片化特性，大型云平台对于个别产业的特殊需求较难满足，研华从工业计算机的本业出发，针对IIoT发展许多产业专业应用模块，同时，WISE平台也强调在线/线下整合的便利性，与不同的系统整合伙伴还有客户进行深入合作，利用物联网找出产业价值，建立、强化核心竞争力，协助客户技术与产品营销全球。