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智慧邊緣當道為工業電腦加值
地緣政治促使供應鏈再重組
[作者 陳念舜]   2022年12月21日 星期三 瀏覽人次: [6927]

回顧2022年在台積電赴美設廠的機台進廠典禮上,因為創辦人張忠謀直言:「全球化已死」,等於掀開了全球供應鏈重組及調適過程的壓力鍋蓋,包括產官方皆必須重新布局雲、地端(邊緣)的基礎建設,進而妥善管理各地紛紛林立的智慧工廠。


除了張忠謀已率先表明:「地緣政治已經大幅改變晶片製造業者面臨的局勢,全球化和自由貿易幾乎已死。許多人仍希望它們會回來,但我不認為它們將回來。」在全球擁有58座工廠的金寶電子總經理陳威昌也對此回應:「即使當下確實有企業正享受紅利,但長期而言,投資這麼多廠區,勢必增加許多成本,必須讓客戶知道;且在需求起伏下,管理眾多工廠,妥善配置訂單產能變得很複雜,也未必是好事。」


這不僅意味著企業如今將面臨更多有形和無形的成本,加劇世界各地面臨的通膨壓力、缺工問題,甚至是日新月異的資安危機等,該如何在內部建立更智慧且有韌性的供應鏈、生態系,已成為業界刻不容緩的議題。


在過去10年來工業4.0趨勢催化下,邊緣運算(Edge Computing)得以具備資料篩選與處理的能力,並經過持續擷取現場有意義及高品質的OT數據串連與整合,再交由上層IT和資料科學團隊分析、處理,最終用來優化工廠的製程與排程。


目前工廠除了從傳統機台的製造執行系統(MES)中擷取資料,也會在既有設備中加上更多智慧化感測器,可以預警異常現象,也能用來收集更多數據供資料小組處理及分析,OT端為此也必須要面對來自不同感測器收集的異質資料與專業語言。


但因為傳統OT需要的算力不強,只要滿足產線穩定、可靠的需求即可,如今則必須要克服如何能取到有意義或品質良好的數據,導致三方實際合作的狀況,遠比單純在IT領域的雲端執行資料科學的工作更為複雜,團隊溝通與資料整合都是工業邊緣運算正在面臨的挑戰。



圖1 : 在過去10年來工業4.0趨勢催化下,邊緣運算得以具備資料篩選與處理的能力,團隊溝通與資料整合都是工業邊緣運算正在面臨的挑戰。(source:jktech.azureedge.net)
圖1 : 在過去10年來工業4.0趨勢催化下,邊緣運算得以具備資料篩選與處理的能力,團隊溝通與資料整合都是工業邊緣運算正在面臨的挑戰。(source:jktech.azureedge.net)

邊緣運算當立 猶待溝通與整合資料挑戰

在去年舉行的「NXP 2022 TAIPEI TECHNOLOGY FORUM」論壇上,恩智浦半導體全球銷售執行副總裁Ron Martino也指出:「如今運算與儲存與原本的大型主機相同,但彈性更大,才能適應我們所處的世界,也就是行銷上所談到的雲端及運算等,由許多裝置收集使用者在地端產生的大量數據,並搭載安全連結的邊緣智慧運算,推動及執行有意義的任務。」


「此估計每天可以創造64ZB數據量,到了2030年將從現今約5,000億美元市場成長至3~4兆美元,涉及超過750億個智慧型裝置。」Ron Martino表示,其中包括讓邊緣與雲端運算相結合,得以最佳化方式管理現今所有能源生產、儲存、配送與使用活動,並改由本地或預處理,將減少所有資料都要上雲端消耗的大量能源;同時解決現今工廠約有一半以上的浪費,其實可歸咎於製造效率不彰,浪費6,500 億美元成本。



圖2 : 企業該如何利用有效的方式讓系統彼此配合、最佳化,藉智慧邊緣提高勞動力、擴大產能等,滿足企業所需及真正安全的資訊都是問題。(source:NXP)
圖2 : 企業該如何利用有效的方式讓系統彼此配合、最佳化,藉智慧邊緣提高勞動力、擴大產能等,滿足企業所需及真正安全的資訊都是問題。(source:NXP)

然而,因為傳統IT與OT系統難以無縫配合、系統架構也不同,該如何利用有效的方式讓系統彼此配合、最佳化,從而監控、除錯並協助改善人力效率;藉智慧邊緣提高勞動力、擴大產能等,滿足企業所需及真正安全的資訊都是問題。


Ron Martino直言:「我們面對的挑戰是,隨著添加新的裝置進來,必須多加閘道,變成閘道囤積症。再來是應用上,拿出智慧手機來要透過開啟20個應用程式才能執行任務,使用介面與應用程式數量過多也是問題。」


友通推出無風扇嵌入系統 虛擬運算軟體重定義硬體

目前全球前三大工業電腦大廠之一的友通資訊(DFI),近年來則因應在工業物聯網(IIoT)科技持續發展,越來越複雜的開發環境,推出最新款工業規格的小型無風扇嵌入式系統EC70A-TGU產品,強調與晶片大廠Intel密切合作。


包括與CPU整合的高效能、低功耗SoC,並搭載Intel Iris Xe嵌入式圖形配備全新GPU,加快影像處理和視訊串流的速度,進一步提升邊緣AI運算的效能,可更輕鬆、精準地處理電腦視覺、高工作負載等複雜運算的應用;支援從SBC、Mini-ITX到COM Express Compact、COM Express Mini等規格,滿足工控、監控、人流分析等各種邊緣AI應用所需的影像視覺運算能力。


同時通過Intel ECI(Edge Controls for Industrial)與EIAMR(Edge Insight for Automation)認證,特定CPU機種還能支援Intel TCC(Inte Time Coordinated Computing)與TSN(IEEE 802.1 時效性網路)標準,為複雜的即時系統提供動能,以對應工業自動化場景的即時運算,透過多項應用場景的佈署、整合,滿足不同產業對於各自裝置整合的需求,並提升佈署彈性,加速實現企業於智慧工廠的需求。


圖3 : 友通資訊近年來則因應在工業物聯網越來越複雜的開發環境,推出最新款工業規格的小型無風扇嵌入式系統,具備虛擬運算及軟體定義硬體的功能。(source:友通資訊)
圖3 : 友通資訊近年來則因應在工業物聯網越來越複雜的開發環境,推出最新款工業規格的小型無風扇嵌入式系統,具備虛擬運算及軟體定義硬體的功能。(source:友通資訊)

此外,由於EC70A-TGU延續上一代無風扇嵌入式系統設計,不僅較傳統工業用電腦小巧的尺寸,且運算控制單元效能與穩定性大幅提升,得以低功耗快速執行導航軟體,仍可支援-20°C~60°C的寬廣溫度範圍;系統具備內建記憶體的耐震特性,也能減少設備移動造成的影響,足以承受工廠自動化和智慧城市應用等不同嚴峻作業環境。


還能支援多個I/O介面與配備多達6個USB 3.1連接埠,進而連接整合更多樣化傳感器、強固的無線網路、電源供應、動力系統等裝置,利於硬軟體開發;更保留日後升級更複雜演算法的空間。適用比無人搬運車(Automated Guided Vehicle;AGV)更聰明,需要更強大運算效能高規要求的、自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot;AMR),將有助於提升整體生產效率、準確性,從而實現零錯誤的生產線,大幅提升在智慧工廠和倉儲應用的效能。


隨著現今工業IoT的快速發展,業者須在相對珍稀的硬體平台資源上,導入AI、功能性安全(Functional Safety)、預測性維修、安全功能,積極朝數位化及物聯網應用轉型。但在工廠內,卻仍沿用各種PLC、HMI、IPC和PAC等專屬設備與特定廠商的系統,來執行既有的工廠自動化運作。


惟若既有的基礎架構運算能力不足,勢將難以因應新一代裝置硬/軟體彼此互通又不斷擴充的需求,成為邁向工業4.0的一大障礙,更突顯了「工作負載整合(Workload Consolidation)」技術的重要性。即須由每個軟體定義多重虛擬OS的環境是以獨立、互不干擾的子系統運作,來執行特定的應用程式;共通、開放的底層虛擬化硬體平台,則提供所需的運算資源,能夠整合、執行並管理所有類型的工作負載。


經過共享CPU資源來全力執行AI運算分析效能後,分散到虛擬環境內的多重OS,針對設備下達即時(Real time)控制指令,不僅更為符合雲端分散管理的理念,達到最佳化效益及節能減碳需求。


目前多核心CPU安裝即時作業系統(RTOS),已能大幅提升虛擬系統的反應速率,有效克服過去佈署虛擬化技術,難免會導致系統效能降低等問題。進而透過網路校時(TSN)控制多軸數達,實現工業應用所需的高效解決方案。Intel現也致力於建構生態系統,與合作夥伴共同推廣於工業IoT領域普及應用。


如友通便經由Intel提出的SR-IOV虛擬化技術為載體,讓單顆CPU可用來分身操控不同操作系統(OS)、I/O埠,再延伸到網路卡透過硬體支援改善,最終實現繪圖核心系統的虛擬化(Graphics SR-IOV),將大幅提升虛擬環境的繪圖效能。


進一步精簡了硬體基礎架構,將SR-IOV模組商品化,讓虛擬化滿足工業應用的即時性需求,並率先完成世界上首次技術驗證,與Intel聯合發表技術白皮書。進而實現Intel由「軟體定義物聯網」(Software-Defined IoT)的趨勢,來簡化架構、加速工作負載整合的願景,同時提升系統良率和資訊安全。


友通也藉由導入開放性運算技術HDBaseT,允許通過最大長度100m的單一網路線,來串連所有工業自動化場域或超商內最多200面的多螢幕佈署;以及支援無線網路視訊輸出的工業級顯示器,有利於佈署在拉線不易的位置。「當配線更為簡化、裝置體積就能更小,從而省下網路費用,進一步能降低整合工作負載、升級地端設備等成本。」


未來只要CPU效能允許,不必再顧慮如何橋接持續新增的I/O裝置、Wi-Fi模組,以免遭遇越來越多的異質整合障礙等,即可新增功能,縮短物聯網開發時間。既解決了在現今物聯網環境,業者須在相對珍稀的硬體平台資源上,積極朝數位化及物聯網應用轉型,還能善用台灣廠商在機電整合應用上的優勢,將虛擬化技術導入物聯網,從而實現「容器化(containerization)」理想,在虛擬環境下縮短開發時間,不必從零開始,將更為事半功倍。


新漢智能30年磨劍 推廣整廠機聯網解決方案

另一家工業電腦(IPC)大廠新漢集團甫歡慶成立逾30周年,去年也邀請策略夥伴共同見證旗下新漢智能公司在智慧製造最新研發的成果。不僅從10年前就鎖定工業4.0為目標,推出相應的產品及解決方案,隨著30年磨十劍有成,正逐步進入收割期。加上近年來企業受到疫情影響,而驅動數位轉型商機爆發,進而跟上國際ESG環保永續的浪潮。


新漢智能雲智化產品處長林均翰特別強調其中「整廠機聯網解決方案」,是能將OT現場數據轉換獲利的致勝武器。尤其是在疫情期間,當企業不時須關閉工廠並調配產能,即可由新漢智能專案團隊協助客戶,調查工廠的運作現況及評估自動化程度,提供智慧製造的顧問規劃服務,協助工廠管理者從最初的危機處理過渡到「下一個新常態」,包括從遠距離提高生產力,繼續維持工廠的績效。


林均翰表示,有別於以往在生產線上的操作員負責多台機器,並由跨多條生產線工作的物流、質量和公用事業人員支援,導致無人化生產的成本太高。但在導入物聯網系統之後,操作員將被分配到更少的機器上,於其工作區域內負責更多的任務,從而最大限度減少與外部工作人員和設備的接觸。


新漢也在該公司最新落成的物聯網創新空間裡,展現自主研發的iAT2000雲智化監控系統解決方案,打通OT與IT系統的任督二脈,可將智慧製造所需L1(Automation System)、L2(Integrated System)、L3(Edge Computing)、L4(Cloud Service)四階段衍生的自動化、機聯網、數據中台、企業戰情室等關鍵要素;並依客戶需求整合國內外不同品牌產品,提供一站式(Turn-key)服務,打造成整合式數位企業營運管理系統的智慧工廠。



圖4 : 新漢在該公司最新落成的物聯網創新空間裡,展現自主研發的iAT2000雲智化監控系統解決方案,打通OT與IT系統的任督二脈。(攝影:陳念舜)
圖4 : 新漢在該公司最新落成的物聯網創新空間裡,展現自主研發的iAT2000雲智化監控系統解決方案,打通OT與IT系統的任督二脈。(攝影:陳念舜)

同時發表最新產品,包括旗下VIC(Vision Intelligence Controller)系列硬體VIC-7000,可用來取代傳統扮演操作人員「視覺」的Camera(鏡頭)C、apture Card(擷取卡);大腦,辨識機器參數產生的OCR/Color/Pattern數據,進而衍生VIC-Flow / Python模型來加以思考、判斷;身體,搭配軟體機器人(RPA)來學習與模擬合格的作業流程,目前被用於半導體產業居多。


由於半導體設備昂貴,當客戶或系統整合商(SI)一旦須透過以PC為基礎架構,卻苦無通訊協定連結的裝置,進行遠距監控;或為提取OCR、顏色、圖案等數據,以整合建構AI模型時,即可利用毋須安裝軟體的VIC及RPA介面,經過視覺採集卡提取設備數據;並支援各式各樣OT+IT通訊協定,採取非侵入方式取得即時數據和運行狀態。


接著再通過e-mail、line聯絡,省下雲端服務的電信月租費;利用跨平台HTML5網頁格式,提供跨平台與組織服務,允許用戶自動切換頁面,傳送異常活動訊號或截圖供二次判讀、示警或保修設備;進而採取影像轉換Auto Turning,從遠程監控和操作鍵盤/滑鼠,修改參數,縮減流程時間、人力、材料成本和降低中毒的風險,適用於無塵室環境。


VIC及RPA同時提供靈活的開發工具,例如VIC-Flow和演算模型,可讓客戶自行開發AI模組在內的,展現自家掌握的獨特功能,創造差異化。最後再以SQL為媒介,將資料回傳SPC(Statistical Process Control)交換數據,藉以自動調整和優化(Auto Turning),減少現場工程師的負擔、避免人為輸入錯誤。


此外,隨著業界追逐淨零碳排、ESG目標的時代潮流,帶來智慧化、數位化和雲端/邊緣運算等更多商機,更激起台灣的智慧製造須要透過統一的開放標準,促使不同設備品牌之間可以相容共通的巨浪,才會像電腦、手機建立一致標準後,讓產業規模擴大至幾十倍、甚至幾百倍,讓自動化設備的成本更具競爭力,也最能帶動創新,甚至催生獨角獸。


OT+IT應用數據擴增 西門子推動縱深防禦原則

西門子數位工業總經理駱奎旭(Aditya Ramkrishna)進一步分析邊緣與雲端運算的差異,就是必須更往終端去蒐集大量數據、分析並加以視覺化,又要避免拖慢核心控制器運算效率。隨著未來數據及應用程式越來越多,須要有獨立於核心系統之外的裝置來協助客戶,並克服從雲端運算分析再擷取數據時的延遲時間差。


但他也坦言,未來連網比例只會不斷增加,一旦連接越多的風險越高,工廠會有成千上百個裝置傳訊和資料,必須要能兼顧多層工業網路安全的概念,西門子也為此倡導「縱深防禦(defense in depth principle)」的原則,不只是針對自家產品開發階段,還包括提供客戶相關諮詢。最後他強調:「資源有限,資料無窮!(Resources are finite. Data is infinite)」


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