本文敘述一個(gè)用在自動(dòng)化環(huán)境進(jìn)行資料交換和處理的模型，能夠作為智慧工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)的安全的資料交換平臺(tái)，將大量資料轉(zhuǎn)換成有價(jià)值的資訊，並加以控制、監(jiān)測(cè)與優(yōu)化應(yīng)用。
當(dāng)機(jī)臺(tái)、裝置與設(shè)備變得更為智慧、連結(jié)性更高，每日產(chǎn)生的資料量也跟著增加。機(jī)器與智慧模組所形成的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是構(gòu)成工業(yè)4.0或智慧工業(yè)的基礎(chǔ)。智慧工業(yè)的潛力在於將這些大量的資料轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資訊，以及商業(yè)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。該期望只有在資料被有效減量、分析，並且及時(shí)、安全地在涉及的各方移轉(zhuǎn)、溝通時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
為了能夠?qū)①Y料使用於加值服務(wù)，MathWorks公司的ThingSpeak提供一個(gè)安全的資料交換平臺(tái)，其中彙集了MATLAB和其他工具箱所具備的強(qiáng)大資料處理、分析、與視覺(jué)化能力。以PC為基礎(chǔ)的控制，還藉著資訊科技（information technology；IT和營(yíng)運(yùn)科技（operational technologies；OT）的結(jié)合產(chǎn)生額外的好處，由於採(cǎi)用了標(biāo)準(zhǔn)的IT概念，可以很容易地整合網(wǎng)路連結(jié)以及與其他IT系統(tǒng)。
智慧工業(yè)和自動(dòng)化金字塔
智慧工業(yè)將改變我們熟知的模式，例如已經(jīng)有大約四分之一世紀(jì)的歷史的自動(dòng)化金字塔圖形。作為工廠中的一個(gè)自動(dòng)化模型，這個(gè)自動(dòng)化金字塔可以以幾種不同的方式來(lái)理解。除此之外，它也可以被視為一個(gè)用在自動(dòng)化環(huán)境進(jìn)行資料交換和處理的模型。本文接下來(lái)將對(duì)此進(jìn)行討論。
自動(dòng)化金字塔由五個(gè)層級(jí)組成，被稱為0至4層。本質(zhì)相近的功能，像是現(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbuses）、PLCs、SCADA控制系統(tǒng)、製造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）每一項(xiàng)都被單獨(dú)地分配到一個(gè)特定的層級(jí)（圖1）。
這個(gè)金字塔可以具體分為兩個(gè)部分。下半部包含位於第0層的感測(cè)器、致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)和工具的生產(chǎn)過(guò)程，它們負(fù)責(zé)實(shí)際的運(yùn)作，而位於第1層的PLCs則負(fù)責(zé)流程的控制；上半部為企業(yè)管理層級(jí)，由SCADA（第2層）、MES（第3層）、和ERP系統(tǒng)（第4層）組成。
生產(chǎn)或M2M層
金字塔的形狀不僅代表階層結(jié)構(gòu)，也反映資料在金字塔內(nèi)水平或垂直的移動(dòng)，大部分的資料是這樣產(chǎn)生的。第0層的元件在機(jī)器不同部位和控制層之間提供具體的即時(shí)垂直通訊，其取樣頻率的範(fàn)圍可高達(dá)幾kHz，因此現(xiàn)場(chǎng)總線必須傳輸這些大量的資料流，在此較常使用EtherCAT、Profinet和Ethernet/IP作為匯流排。
在第1層的PLCs，確保規(guī)劃的流程在正確時(shí)間以正確步驟在要求的容許限制範(fàn)圍內(nèi)執(zhí)行。從水平來(lái)看，PLCs可以與其他PLCs透過(guò)EtherCAT Automation Protocol （EAP） 或UDP即時(shí)地通訊（例如動(dòng)作資料的同步），或者透過(guò)OPC UA、ADS、TCP/IP和其他協(xié)定進(jìn)行非即時(shí)的通訊。到目前，自動(dòng)化主要發(fā)生在較低的兩個(gè)層級(jí)。
公司層：B2M
企業(yè)到機(jī)臺(tái)的通訊（Business-to-machine communication；B2M）負(fù)責(zé)啟動(dòng)上述的生產(chǎn)層。該通訊通常不會(huì)以即時(shí)運(yùn)作，因?yàn)樗旧鲜且揽块_(kāi)關(guān)、路由器、防火牆、和其他有可能造成延遲的設(shè)施或裝置。傳統(tǒng)上，金字塔上層的決策會(huì)比較緩慢，而且會(huì)需要依據(jù)不斷增加的濃縮資料。
然而，一個(gè)現(xiàn)今的智慧工業(yè)趨勢(shì)是MES，或甚至是ERP層到PLCs的直接連接。不同於前面對(duì)於金字塔的詮釋，這些較上方的層級(jí)不僅直接從下方層級(jí)捕捉在該處被減量和分析資料，還可以將處方資料直接傳送到PLCs並且接收回傳的狀態(tài)報(bào)告，這促成了智慧產(chǎn)業(yè)所需的彈性和回應(yīng)時(shí)間。這樣的流程可以透過(guò)像是遠(yuǎn)端程序呼叫（Remote Procedure Calls；RPCs）和Beckhoff Automation的TwinCAT 3 SOA-PLC（用於服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)的PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
B2M層的自動(dòng)化
未來(lái)的生產(chǎn)和維護(hù)環(huán)境必須納入的設(shè)備愈來(lái)愈多，這些設(shè)備分布於不同的地點(diǎn)或甚至遍及世界各地。在未來(lái)，機(jī)械工程師會(huì)希望能夠比較並評(píng)估在世界各地運(yùn)行的設(shè)備，並且依據(jù)遠(yuǎn)距的功能性提供維護(hù)合約。
在第2層和第3層設(shè)置自動(dòng)化流程，並且連結(jié)遠(yuǎn)端設(shè)備可以組成未來(lái)的自動(dòng)化：這些物件有望減少支出，促成更全面的資料分析，簡(jiǎn)化並加速命令和跨越全球組織的商業(yè)決策的執(zhí)行。
生產(chǎn)公司和機(jī)械工程師在進(jìn)行這些任務(wù)時(shí)不只需要追求效率，還要注重安全性（在談?wù)撝腔酃I(yè)時(shí)，這點(diǎn)經(jīng)常被忽略），也就是不能危及安全運(yùn)作、網(wǎng)路完整性和重要的機(jī)密資料。
以SCADA作為切入點(diǎn)
SCADA層（第2層）是一個(gè)對(duì)於工程師、生產(chǎn)規(guī)劃人員和機(jī)械工程師的好切入點(diǎn)，所有相關(guān)的生產(chǎn)資料都會(huì)進(jìn)到這裡，並且在這裡以縮減的形式被分析。使用邊緣裝置是一個(gè)連接外部網(wǎng)路，並且取得更多計(jì)算能力得簡(jiǎn)單方法。藉著將邊緣裝置加到SCADA層，公司可以專注於他們?cè)谏贁?shù)幾個(gè)地點(diǎn)或甚至單一地點(diǎn)運(yùn)作的MES和ERP，在這時(shí)就很容易地可以讓機(jī)械工程師從製造和PLC層存取資料，而非取得商業(yè)和企業(yè)資料。
使用VPNs是一種可以為大範(fàn)圍分布的工廠建立安全連接的方法；然而VPNs的設(shè)置和維護(hù)帶有一些挑戰(zhàn)，即使僅是單一臺(tái)機(jī)器的連結(jié)和資料交換，有時(shí)也會(huì)令人感到受挫並影響操作。
使用以雲(yún)端為基礎(chǔ)的解決方案是一種替代方式，它提供安全的資料傳輸（比起VPN）的優(yōu)點(diǎn)，並且降低網(wǎng)路連線維護(hù)具備的劣勢(shì)。TLS （Transport Layer Security）是一種常見(jiàn)的安全機(jī)制。這項(xiàng)協(xié)定經(jīng)常被使用在以雲(yún)端為基礎(chǔ)的資料通訊。
傳統(tǒng)上，這樣的解決方案會(huì)在用戶/伺服器端運(yùn)作。當(dāng)工程師希望與位在遠(yuǎn)處的PLC通訊，該P(yáng)LC提供資料作為伺服器，而使用者的機(jī)器則被認(rèn)定為用戶端的角色，建立直接的連線到PLC。該連線可以輕鬆地透過(guò)TLS來(lái)確保安全性，不過(guò)對(duì)於這樣的通訊，連接埠必須在防火牆開(kāi)啟。大部分的IT管理人員會(huì)拒絕這項(xiàng)要求，導(dǎo)致該專案就這樣被捨棄，讓資料傳輸與分析的機(jī)會(huì)無(wú)法被妥善利用。
以ThingSpeak為支援TLS v1.2安全發(fā)布者/訂閱者平臺(tái)
ThingSpeak運(yùn)用一個(gè)發(fā)布者/訂閱者模型來(lái)克服這些限制，並且提供使用者多項(xiàng)額外的好處（圖2）。ThingSpeak伺服器本身可以被架設(shè)在一個(gè)安全的網(wǎng)路，且可以接收靜態(tài)IP位址。
接著，它發(fā)揮訊息中介者的作用，讓所有可供存取的資料只透過(guò)一個(gè)向外的連結(jié)發(fā)送。每一個(gè)訂閱者也可以透過(guò)向外的連接來(lái)發(fā)送要求，並且接收作為TCP回應(yīng)的資料。這和網(wǎng)路瀏覽器的運(yùn)作方式非常相似，也因此對(duì)IT管理者來(lái)說(shuō)並不陌生。
| 圖2 : 連接ThingSpeak伺服器與自動(dòng)化金字塔 |
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這種方式具有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。第一，所有和此通訊相關(guān)的當(dāng)事者只需要知道訊息中介者的IP位址。參與者的IP資訊必須只能為了與ThingSpeak伺服器的單獨(dú)連接而揭露。新的發(fā)布者和訂閱者可以很容易地被加進(jìn)來(lái)。這使得應(yīng)用更具彈性和可擴(kuò)展性。由於每一個(gè)連到ThingSpeak伺服器的連接都必須是向外的連接，這個(gè)解決方案不會(huì)產(chǎn)生任何額外的防火牆要求。它也因此可以很容易、安全地整合到現(xiàn)有的IT設(shè)備。
通道配置、資料串流與整合的MATLAB
ThingSpeak通訊的基礎(chǔ)通道即使是新使用者也可以輕鬆建置，並且?guī)追昼娭畠?nèi)就可以使用。通道擁有讀取和編寫API的金鑰，而且可以被設(shè)置為公開(kāi)或私人，預(yù)設(shè)則是設(shè)定為私人。每一個(gè)通道包含8個(gè)欄位來(lái)存取8筆資料流，例如感測(cè)器讀數(shù)、電氣訊號(hào)或溫度。每一個(gè)通道最多可以以每秒一次的頻率來(lái)更新。通道的每一個(gè)欄位都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的視覺(jué)化呈現(xiàn)，隨著資料抵達(dá)自動(dòng)地更新，並且包含可以輕鬆被嵌入到其他應(yīng)用程式的iFrame程式碼。
為了要收集這些通道的資料，ThingSpeak提供REST或MQTT APIs、Arduino和Particle裝置適用的ThingSpeak Communication Library、Arduino和Raspberry硬體支援套件的ThingSpeak Write-blocks、以及其他常用的協(xié)定。REST API具有平臺(tái)的針對(duì)性，MQTT API則是通用的（圖3）。對(duì)於MQTT唯一的要求是使用者必須指定正確的使用者資料格式。這讓在許多應(yīng)用或裝置的使用變得簡(jiǎn)單。
| 圖3 : 透過(guò)MQTT協(xié)定進(jìn)行資料擷取 |
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當(dāng)通道資料抵達(dá)ThingSpeak，資料可以被儲(chǔ)存在雲(yún)端或立即進(jìn)行處理和視覺(jué)化。如果使用者是以MathWorks或ThingSpeak的帳號(hào)登入，ThingSpeak提供執(zhí)行MATLAB程式碼的功能，不需要額外的license。有超過(guò)十幾個(gè)MATLAB工具箱提供統(tǒng)計(jì)、分析、訊號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等函式。針對(duì)MATLAB程式腳本，可以安排在特定的時(shí)間區(qū)間執(zhí)行，讓計(jì)算、視覺(jué)化可以在固定時(shí)間更新。
只要將MATLAB程式碼複製及貼上，這些程式腳本就可以被整合至ThingSpeak。為了讓使用和測(cè)試更容易，程式碼可以在任何有MATLAB授權(quán)的桌上電腦或筆記型個(gè)人電腦上編寫。這使得ThingSpeak成為MATLAB桌上電腦自然的雲(yún)端擴(kuò)充。使用者也可以配置Email或Twitter訊息，並在機(jī)器出現(xiàn)故障事件、參數(shù)閾值超限或其他特定事件時(shí)傳送給他們，讓使用者在廠區(qū)或遠(yuǎn)端都有辦法快速回應(yīng)。
（本文由鈦思科技提供，作者Fabian Bause為Beckhoff Automation TwinCAT產(chǎn)品經(jīng)理、Rainer Mummler為MathWorks高級(jí)應(yīng)用工程師）
