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智慧製造的「四大要件」
[作者 Neil Stroud]   2020年10月20日 星期二 瀏覽人次: [1550]

所有智慧製造工業物聯網解決方案成功的必要條件:效能、即時處理能力、資安與功能性安全。在未來的工業物聯網供應鏈中,它們已經直接影響各式各樣工業功能的進展,從工廠自動化、現有工廠設備的整合,到作業負載的合併以及機器人應用。


在越來越多的各種以技術為中心的工業物聯網(IIoT)解決方案帶動下,智慧製造的願景逐漸成形,以解決長久以來對製造業的挑戰。


這些智慧製造解決方案在IIoT的範疇中,讓我們對更具彈性、效率更高的製造與供應鏈產生期待:一個具備智能、由電腦驅動、具有高度調適力的供應鏈,且毋需不斷地再加工就能在單一生產線上生產多種產品。


這個部分呈現指數的成長無疑是件好事,可以提供IIoT裝置市場更多的選擇,並且壓低總擁有成本(TCO)。不過,隨著IIoT市場漸趨飽和,企業想要確認該解決方案是否符合其當下與未來的需求,可能會越來越困難。


Arm認為所有智慧製造解決方案想要成功,都有賴四大基礎:效能、即時處理能力、資安與功能性安全,並稱之為「四大要件」,因為它們在未來的 IIoT 供應鏈中,都扮演重要的角色。它們已經直接影響各式各樣工業功能的進展,從工廠自動化、現有工廠設備的整合,到作業負載的合併以及機器人應用。隨著智慧製造技術向前推進,它們的角色也將日益吃重。


1.效能

工業自動化涵蓋廣泛的各種多元IIoT裝置,從最小型的感測器到最複雜的機器人。它也因此帶動無所不包的運算需求,而CPU可以從超低電壓微處理器到高階的伺服器級處理器。裝置也可能包含GPU處理圖形運用,不管是否只是用來驅動觸控顯示螢幕,或是創造複雜的虛擬實境或擴增實境世界。另外,對於裝置必需具備處理機器學習(ML)作業負載的需求也與日俱增;這部份可能在CPU上進行,但若要面對密集的作業負載,則需要專屬的神經處理器(NPU)。


逐漸清晰的關鍵IIoT趨勢,就是聚焦在單一可擴充的架構,可以大幅地降低總擁有成本。從全面的角度來看,今日許多製造用的機器人都是建構在分散式控制系統拓樸上。這些功能包括主要路徑規劃、安全系統、伺服傳動、安全性與其它更多的東西。這裡的每一個系統往往都運行在不同的CPU架構上,這意味開發週期內的重疊與再使用情況很少,導致相當顯著的工程投資。


若把這些許多的系統類型合併成單一架構,就可以大幅降低工程成本,同時為整個供應鏈帶來好處。跟其它企業不同的是,Arm的IP產品選項包括Cortex-M、Cortex-R與 Cortex-A CPU,並利用對應工業自動化,從最高端到最基本需求的可擴充架構,來應對此一需求。


2.即時

即時處理能力,在製造領域極為關鍵。每一條生產線都包含所有產品建造週期內必須同步控制的數千個馬達、伺機裝置與致動器。這些元件的控制,必須透過如可程式化邏輯控制器、I/O模組以及馬達驅動等裝置達成。這些裝置的效能是以「週期時間」來衡量,也就是在一定的時間內(通常是幾毫秒或微秒)可以控制的頻道數量。


如此的週期時間自然會對下層的控制電子裝置,有著極為嚴苛的即時需求。這些系統必須能夠立即決策以執行它們的功能,不可以有任何的閃失。例如想像一個在生產線上焊接汽車車身的多軸機器人:倘若控制系統錯失了一個週期,機械手臂就不會移至正確的位置,如此一來就會錯失焊點,產生具有潛在危險性的品質問題。


對於許多關鍵任務的智慧製造應用與IIoT裝置,包括自駕車、工業機器人與自動化設備的控制,即時效能極為重要,因為它們全都需要立即且精準的機械反應。諸如Coretex-R家族的即時處理器,設計用意就是在一定的時間架構或最後期限內必須作出回應。


而且隨著應用需要越來越高的運算效能,對即時處理能力的需求也同時提升。如此也導致應對這種基本需求的創新。


3.資安

智慧製造供應鏈的每一個點都會觸及安全性,而它對於工業系統防範各種漏洞與威脅模型,可說是重中之重。工廠需要保護它們的商業機密、防止生產受到遠端干擾,並且必須防止產品遭到偽造與複製。隨著運算技術(OT)與資訊科技(IT)網路開始合併,工廠之外出現遭遇更嚴重攻擊的可能性。


這對於在上面執行的硬體與軟體內的每一個 IIoT 裝置,都會帶來額外的資安保護的需求。Arm 擁有許多的資產,可以促成真正的端對端安全性,包括像TrustZone與 CryptoCell等技術,可以幫忙達成PSA Certified(Arm是共同創建單位)概述的最低安全需求。


隨著IEC62443工業自動化網路安全標準越來越受到各界重視,PSA Certified的創建單位也針對這個越來越重要的標準,投入PSA Certified架構來對應,為整個供應鏈中符合規範的設備進行確保。


4.功能性安全

功能性安全對於部署在工廠內部以及其它地方的許多系統而言,是極為關鍵的考量。它是系統檢測、偵錯以及發生故障時保障安全、減少損害的能力,以防止對人員與環境造成傷害。


所有具備整合功能性安全能力的設備,都必須遵循IEC61508工業安全標準。這套標準要求系統功能必須正確運作,當出現可能危及安全的故障時,能夠檢測出來並加以管控,以避免危害。潛在故障模式的識別,則是透過徹底的分析進行。IEC61508可以辨識兩種特定類型的故障:隨機故障以及系統性故障。


隨機故障由突如其來的設備故障引發,例如因為磨損產生的機械故障。系統性故障則是設備設計上固有的缺失,例如裝置軟體的錯誤,它需要變更設計才能修正。所有具安全能力的設備在廠區進行部署之前,都必須由獨立的評鑑者驗證它們的合規性。


Arm Safety Ready的產品符合IEC61508工業應用的標準,而獲得Arm授權的單位則可以取用支援的附帶資源,以便為IIoT打造具功能性安全的裝置。這種對功能性安全的承諾,可以支援更快速的發展、驗證與安全產品的部署。


隨著工廠自動化的水準因為生產力的提升與大量客製化而上升,提升安全水準的壓力也跟著增加。這也帶動更多對於具有安全功能設備的需求,例如可程式化的邏輯控制器、機器人系統以及運動控制。


「出籠」機器人的發展,凸顯了這一點。傳統上,我們要確保機器人機械裝置能安全運作,就是把它關進籠子裡。對於廠區的樓板,這是很沒有效率的使用方法。不過,藉由實作關鍵的安全技術,機器人可以出籠,讓它們搖身變成協作機器人(或稱為 cobot),以便在生產線上與人類有效地一起工作。


這一點也應用到廣泛部署於工廠環境內的新興自主行動機器人。我們使用它們以便在理想的時間點,有效率地把原料與半成品送到生產工作站。


從上到下的標準化架構

Arm 從整個工業供應鏈中,看出大家真正想要一個從上到下標準化的單一IIoT架構。這個架構可以降低總成本,並讓OEM代工廠可以真正地從硬體與軟體角度進行擴充。


這「四大要件」是確保實現智慧製造的基礎 IIoT 技術的先決條件。Arm憑藉在工廠自動化的堅強背景,有能力推出可以滿足各種智慧製造應用的技術:提供強大的功能性安全,加上經過驗證的資安確保能力與即時處理的技術。


(本文作者Neil Stroud為Arm工業應用部門資深總監)


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