全球工业物联网发展起自德国工业4.0的影响,在经过一番摸索与垦荒期之后,将工业领域“物联网化”的成果,已逐渐显现。各个市场调研机构对工业物联网的发展皆做出正面积极的预测,并认为工业物联网在2018年将进入快速发展的阶段。

全球工业物联网(Industrial IoT;IIoT)发展源自德国工业4.0(Industry 4.0)的影响,在经过一番摸索与垦荒期之后,将工业领域“物联网化”的成果,已逐渐显现。各个市场调研机构对工业物联网的发展皆做出正面积极的预测,并认为工业物联网在2018年将进入快速发展的阶段。

根据MarketsandMarkets最新市场研究报告《2023年全球工业物联网市场预测:设备与技术(传感器、RFID、工业机器人、DCS、状态监测、智能电表、摄像机系统、网络技术)、软件(PLM、MES、SCADA)、垂直市场和地理区(IIoT Market by Device & Technology (Sensor, RFID, Industrial Robotics, DCS, Condition Monitoring, Smart Meter, Camera System, Networking Technology), Software (PLM, MES, SCADA), Vertical, and Geography - Global Forecast to 2023)》,2018年全球工业物联网市场规模约640亿美元,预计将在2023年成长至914亿美元,2018~2023年的五年间复合年成长率(CAGR)为7.39%。该机构指出,工业物联网市场的成长受益于诸多因素的带动,例如越来越多中小企业采用自动化系统。此外,自动化降低了生产成本,从而减少了开销,并提高整个过程的投资报酬率(ROI)。

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工业物联网进入快速发展期

图1:2015~2020全球工业机器人成长及预估。来源:IFR

GSM协会(GSMA)今年6月发布的《大中华区工业物联网发展(The Industrial IoT in Greater China)》研究报告也指出,通过访问中国及台湾主要电信企业得出的结论为,大中华地区将引领工业物联网市场的发展,预计到2025年,全球工业物联网连接数将达到138亿,其中大中华地区的连接数约为41亿,约占全球市场的三分之一。

分析工业物联网快速发展的原因,主要推动力包括5G及其他连网技术、人工智能(AI)与大数据分析、智能机器人…等软硬件技术的加持,以及相关企业开始进一步顺利将上述技术与工业环境整合,使得工业物联网得以实现移动生产线、工厂安全再升级、自动化检验领域再扩大…等,进一步提高投资报酬率,吸引更多厂商包括中小企业的参与。

连网标准可望出现?

工业4.0概念在相关企业的努力下,大方向开始逐步明朗,其中在厂区内部署连接制造机器、机械手臂…等工厂重要组成要素的连网技术,则是落实工业物联网的关键。西门子(Siemens)产品经理朱轩逸表示,全球对于工业物联网的讨论已经开始,若是没法将工厂网络建设起来,工业物联网后续带来的收集、分析数据,以及进一步根据分析后的数据调整生产线运作方式,或是预知设备是否即将出问题等优势,加上人工智能等协助提高生产线生产效能的技术,都无法被整合到生产环境,发挥其效用,因此连网技术对于工业物联网而言可谓关键元素。若是无法做到这一点,将现有或新购置的生产工具连接起来,工业物联网将只会沦为口号。

凌华科技(ADLINK)次世代机器人解决方案架构师陈家榜也认为,通信技术可说是实践工业物联网很重的一环,即使人工智能可以不连网,但未连上网络无法取得数据、无法作分析决策,也无法持续学习强化,这样的人工智能对于企业来说,带来的效益很有限。

不过,企业在工厂导入通信技术时,将遭遇工厂的生产器具、机台新旧不一,其内部内建的通信协议也各不相同,生产机台彼此间如何进一步互通,以及如何整合所有的数据并进一步使用的难题。若这些难题无法进一步解决,工业物联网将只是空谈。

不仅如此,工业物联网也推动通过在终端生产设备上安装传感器,以得知机器实时运转状况,以便监测或预测机器何时将发生损坏,避免停工的可能。这些传感器搜集到的信息都需要通过连网技术才能让控制中心或是工厂工作人员得知,因此如何串联数量如此庞大的传感器,也令厂商相当头痛。

有鉴于此,耕耘工业物联网相关的厂商,开始进行合纵连横,推展工业物联网相关通信标准规范,以期可协助导入工业物联网的厂商,能有最易用、简单部署、低成本且通用的技术。

OPC UA/TSN协助机台互通与资料分析

现阶段,许多厂商对于工业4.0或是工业物联网仍有些似懂非懂,抑或者只知其一不知其二,例如只了解要收集工厂的信息,却不知从何做起。再加上,工业物联网中有很大的一部分是生产设备间的通信,但做这一段通信技术及产品的相关企业不多,且产品也需要具备开放性、内置程序与价格都需亲民,才能使持续观望的厂商着手导入,工业物联网的市场才能逐步再扩大。

朱轩逸认为,目前市面上的工业物联网针对设备互连的产品无法受到自动化企业青睐的原因之一是,产品种类不多、部署相对复杂且市场接受度不高。事实上,“上云端”不等于实现工业物联网或是工业4.0,更何况“真正”第一线的使用者,也就是底层工作人员,并不了解工业物联网这个概念带来的好处,因此工业物联网发展呈现缓步上扬趋势,而不是如消费性电子领域有突然的爆炸性成长。

为提高市场对工业物联网接受度,以及发现开放原始码(open source)可让更多厂商参与并促使产业发展更加快速,更易形成统一标准规范,因此西门子与全球1,500多家工控企业,成立台湾工业网络协会(TICA),推广OPC统一架构(OPC UA)与时间敏感型网络(TSN),预计明年底制定统一标准规范,并推出集成支持所有厂牌的单芯片产品。

据了解,OPC UA是针对工厂自动化设备间的互通标准,亦即非循环数据的垂直通信和控制器-控制器通信;TSN则是用于大数据分析。朱轩逸解释,通过涵盖全球1,500家工控企业产品及标准,开放性的OPC UA+TSN优势在于可让工业物联网设备更便宜、产品开发更简单,也不须很长的学习时间即可将产品设定完毕并开始使用,还能无缝连接不同厂商的工业物联网设备。更重要的是兼具防毒与安全性,也就是说,操作员不会直接涉入机器对机器(M2M)间的通信,降低黑客入侵的机会。

未来10年,TICA将全力推广OPC UA+TSN技术架构,明年不仅将出台标准规范,也会推出第一款芯片产品。协助要进入工业物联网的企业,顺利实现工业物联网架构,享受工业物联网的优势,而相关产品开发商也能快速研发符合市场需求的产品,拓展工业物联网市场规模。

IO-Link串连传感器大军

除了OPC UA+TSN架构外,意法半导体(STMicroelectronics)也与欧洲、美国、日本…等地的企业共同推广针对传感器连接的IO-Link标准。意法半导体亚太区营销和应用资深总监Francesco Muggeri表示,意法半导体长期耕耘马达控制领域,在工业物联网时代,将传感器安装到工厂设备内的马达并加入通信技术连成一气,使传感器的数据可向上层管理系统传送,是最重要的关键。

因此意法半导体以“工业智慧感测”为出发点,以及响应市场希望有统一化的硬件与软件,与欧美日等国的工业物联网关键企业,包括传感器供应商、西门子…等共同成立IO-Link协会,并制定IO-Link软硬件通信协议。意法半导体亚太区营销和应用总监David Lucchitti说,IO-Link标准是专注解决工业物联网架构最底层也是最末端传感器到控制器的连接,可让传感器传输更多的信息到控制器,并进同时消除模拟信息易失真,无法进一步处理分析的问题。

分析IO-Link优势,意法半导体技术营销项目经理林进裕指出,IO-Link为数字化的技术标准,可以改善现有模拟信息无法分析的缺点。而此专注于传感器连接的统一标准技术,可使不同厂商但支持IO-Link的传感器与主控制器可以彼此互通,将工业物联网优势渗透到更末端的工业设备中。

值得注意的是,IO-Link硬件向下兼容亚洲Low side和欧洲High side MOSFET连接电源的架构,林进裕认为,这个特性可以让旧有的工厂机器设备以“最少的变化”,智慧化现有的传感器与可程序逻辑控制器(PLC)架构,同时也不需要花费太多成本。