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智慧制造的「四大要件」
 

【作者: Neil Stroud】2020年10月20日 星期二

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所有智慧制造工业物联网解决方案成功的必要条件:效能、即时处理能力、资安与功能性安全。在未来的工业物联网供应链中,它们已经直接影响各式各样工业功能的进展,从工厂自动化、现有工厂设备的整合,到作业负载的合并以及机器人应用。


在越来越多的各种以技术为中心的工业物联网(IIoT)解决方案带动下,智慧制造的愿景逐渐成形,以解决长久以来对制造业的挑战。


这些智慧制造解决方案在IIoT的范畴中,让我们对更具弹性、效率更高的制造与供应链产生期待:一个具备智能、由电脑驱动、具有高度调适力的供应链,且毋需不断地再加工就能在单一生产线上生产多种产品。


这个部分呈现指数的成长无疑是件好事,可以提供IIoT装置市场更多的选择,并且压低总拥有成本(TCO)。不过,随着IIoT市场渐趋饱和,企业想要确认该解决方案是否符合其当下与未来的需求,可能会越来越困难。


Arm认为所有智慧制造解决方案想要成功,都有赖四大基础:效能、即时处理能力、资安与功能性安全,并称之为「四大要件」,因为它们在未来的 IIoT 供应链中,都扮演重要的角色。它们已经直接影响各式各样工业功能的进展,从工厂自动化、现有工厂设备的整合,到作业负载的合并以及机器人应用。随着智慧制造技术向前推进,它们的角色也将日益吃重。


1.效能

工业自动化涵盖广泛的各种多元IIoT装置,从最小型的感测器到最复杂的机器人。它也因此带动无所不包的运算需求,而CPU可以从超低电压微处理器到高阶的伺服器级处理器。装置也可能包含GPU处理图形运用,不管是否只是用来驱动触控显示萤幕,或是创造复杂的虚拟实境或扩增实境世界。另外,对於装置必需具备处理机器学习(ML)作业负载的需求也与日俱增;这部份可能在CPU上进行,但若要面对密集的作业负载,则需要专属的神经处理器(NPU)。


逐渐清晰的关键IIoT趋势,就是聚焦在单一可扩充的架构,可以大幅地降低总拥有成本。从全面的角度来看,今日许多制造用的机器人都是建构在分散式控制系统拓朴上。这些功能包括主要路径规划、安全系统、伺服传动、安全性与其它更多的东西。这里的每一个系统往往都运行在不同的CPU架构上,这意味开发周期内的重叠与再使用情况很少,导致相当显着的工程投资。


若把这些许多的系统类型合并成单一架构,就可以大幅降低工程成本,同时为整个供应链带来好处。跟其它企业不同的是,Arm的IP产品选项包括Cortex-M、Cortex-R与 Cortex-A CPU,并利用对应工业自动化,从最高端到最基本需求的可扩充架构,来应对此一需求。


2.即时

即时处理能力,在制造领域极为关键。每一条生产线都包含所有产品建造周期内必须同步控制的数千个马达、伺机装置与致动器。这些元件的控制,必须透过如可程式化逻辑控制器、I/O模组以及马达驱动等装置达成。这些装置的效能是以「周期时间」来衡量,也就是在一定的时间内(通常是几毫秒或微秒)可以控制的频道数量。


如此的周期时间自然会对下层的控制电子装置,有着极为严苛的即时需求。这些系统必须能够立即决策以执行它们的功能,不可以有任何的闪失。例如想像一个在生产线上焊接汽车车身的多轴机器人:倘若控制系统错失了一个周期,机械手臂就不会移至正确的位置,如此一来就会错失焊点,产生具有潜在危险性的品质问题。


对於许多关键任务的智慧制造应用与IIoT装置,包括自驾车、工业机器人与自动化设备的控制,即时效能极为重要,因为它们全都需要立即且精准的机械反应。诸如Coretex-R家族的即时处理器,设计用意就是在一定的时间架构或最後期限内必须作出回应。


而且随着应用需要越来越高的运算效能,对即时处理能力的需求也同时提升。如此也导致应对这种基本需求的创新。


3.资安

智慧制造供应链的每一个点都会触及安全性,而它对於工业系统防范各种漏洞与威胁模型,可说是重中之重。工厂需要保护它们的商业机密、防止生产受到远端干扰,并且必须防止产品遭到伪造与复制。随着运算技术(OT)与资讯科技(IT)网路开始合并,工厂之外出现遭遇更严重攻击的可能性。


这对於在上面执行的硬体与软体内的每一个 IIoT 装置,都会带来额外的资安保护的需求。Arm 拥有许多的资产,可以促成真正的端对端安全性,包括像TrustZone与 CryptoCell等技术,可以帮忙达成PSA Certified(Arm是共同创建单位)概述的最低安全需求。


随着IEC62443工业自动化网路安全标准越来越受到各界重视,PSA Certified的创建单位也针对这个越来越重要的标准,投入PSA Certified架构来对应,为整个供应链中符合规范的设备进行确保。


4.功能性安全

功能性安全对於部署在工厂内部以及其它地方的许多系统而言,是极为关键的考量。它是系统检测、侦错以及发生故障时保障安全、减少损害的能力,以防止对人员与环境造成伤害。


所有具备整合功能性安全能力的设备,都必须遵循IEC61508工业安全标准。这套标准要求系统功能必须正确运作,当出现可能危及安全的故障时,能够检测出来并加以管控,以避免危害。潜在故障模式的识别,则是透过彻底的分析进行。IEC61508可以辨识两种特定类型的故障:随机故障以及系统性故障。


随机故障由突如其来的设备故障引发,例如因为磨损产生的机械故障。系统性故障则是设备设计上固有的缺失,例如装置软体的错误,它需要变更设计才能修正。所有具安全能力的设备在厂区进行部署之前,都必须由独立的评监者验证它们的合规性。


Arm Safety Ready的产品符合IEC61508工业应用的标准,而获得Arm授权的单位则可以取用支援的附带资源,以便为IIoT打造具功能性安全的装置。这种对功能性安全的承诺,可以支援更快速的发展、验证与安全产品的部署。


随着工厂自动化的水准因为生产力的提升与大量客制化而上升,提升安全水准的压力也跟着增加。这也带动更多对於具有安全功能设备的需求,例如可程式化的逻辑控制器、机器人系统以及运动控制。


「出笼」机器人的发展,凸显了这一点。传统上,我们要确保机器人机械装置能安全运作,就是把它关进笼子里。对於厂区的楼板,这是很没有效率的使用方法。不过,藉由实作关键的安全技术,机器人可以出笼,让它们摇身变成协作机器人(或称为 cobot),以便在生产线上与人类有效地一起工作。


这一点也应用到广泛部署於工厂环境内的新兴自主行动机器人。我们使用它们以便在理想的时间点,有效率地把原料与半成品送到生产工作站。


从上到下的标准化架构

Arm 从整个工业供应链中,看出大家真正想要一个从上到下标准化的单一IIoT架构。这个架构可以降低总成本,并让OEM代工厂可以真正地从硬体与软体角度进行扩充。


这「四大要件」是确保实现智慧制造的基础 IIoT 技术的先决条件。Arm凭藉在工厂自动化的坚强背景,有能力推出可以满足各种智慧制造应用的技术:提供强大的功能性安全,加上经过验证的资安确保能力与即时处理的技术。


(本文作者Neil Stroud为Arm工业应用部门资深总监)


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