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在自動化工業，人人都聽說過一個流行用語：‘工業4.0’(Industry 4.0)。該工業概念預見了未來一個高度整合、自動化以及彈性化的‘明日工廠’——這個未來工廠將快速、高效地出貨，以滿足市場需求。

 顯然地，目前發生在製造和製程自動化領域的第四次革命將推動連網系統的骨幹單元進步：感測器、致動器、控制系統透過網際網路協議，以不同的網路類型實現互連。

一旦所有的機器/感測器資料傳送至雲端，就能夠執行具有意義的分析，從而實現生產最佳化、故障預測、排定維護計畫、自動補充庫存，甚至客製最終產品指標，以滿足市場的動態變化。 

工業4.0的一個有趣的案例是美國通用電氣公司(General Electric)的紐約Schenectady新廠。這座鈉鎳電池製造廠在18萬平方英呎廠房中建置了1萬個感測器；所有感測器均以高速的內部乙太網路互連。透過感測器可監測哪一批粉末用於形成電池芯所需的陶瓷、使用多高的溫度加熱，以及製造每一顆電池需要多少能耗等。在廠房中，員工透過iPad與建置在廠房中的Wi-Fi存取所有的資料。 

第四次工業革命即將全面展開，顯示廠房間無處不在的連接性將推動不斷改善的軟體和演算法，大幅提高生產力和預測能力。這的確令人印象深刻且切實可行。然而，在基礎設施到位以及這場革命真正爆發之前，我們還必須解決眾多的系統設計難題。本文重點討論部分關鍵的系統設計挑戰。

工業4.0的系統級設計注意事項 

工業4.0的實現可能需要10年甚至20年的時間，但如今已經影響著形形色色的系統設計。圖2所示的自動化過程表明，當我們邁向工業4.0時，必須實現三項關鍵的系統設計。 

 分散式運算和控制：已起步的一個關鍵趨勢是運算和控制系統的本地化。為了提高複雜組裝線的靈活性、減少控制延遲並緩解主PLC的處理壓力，需要透過分散式控制。在下一代工廠中，這將變得越來越普及。PLC的尺寸將持續縮小，處理I/O通道數量不斷增加，還包括類比和數位。PLC還必須支援各種不同的I/O協定，包括像IO-Link標準等新協定。 

無所不在的感測器：如何處理各個感測器？工業4.0的基本前提是共用製造資料，但這意味著必須先收集不斷增加的資料量。巨量資料來自於感測器系統數量的爆炸式成長，包括工廠內以及製程設備，並遍及整個遠端操作。即使製程參數不影響使用者目前的控制演算法，也必須收集資料供將來使用。可以預期的是，在當今雲端執行的演算法快速、爆炸式創新最終可能‘重新創造’傳統的製程參數，以預測重要的系統故障機制。工業領域常用於描述感測方案快速成長的一個詞叫‘普適感測’。

 認證安全：最後，透過網際網路協定連接所有的感測器、控制系統和致動器以實現‘巨量資料’分析，毫無疑問地將會帶來安全方面的顧慮。透過軟體防火牆和安全的網際網路交換機/閘道器，可望解決大部份的工業安全問題。不過，對於安全的顧慮並不僅限於這些通訊埠，也涉及硬體本身。新的深度防禦標準要求終端裝置網路(例如討論中的感測器和PLC)必須先經過安全認證以確保安全性。這種廣泛的軟體和硬體安全對於系統設計帶來直接與系統級的影響。

分散式本地控制：Micro PLC興起 

尺寸小但可實現製程或組裝線本地控制的強大PLC特別具有吸引力，因為它可實現低延遲的分散式控制。但微型PLC設計必須解決類比I/O整合及散熱方面的重大技術挑戰。透過Maxim開發的Micro PLC概念驗證設計成功解決了這些難題(圖3)。 

圖3：Micro PLC概念驗證設計整合32位元微控制器、乙太網路連線能力以及和25路I/O通道。總面積為23立方英吋(406,125 mm3)。

 這款可放在掌中的Micro PLC整合了必要的32位元微控制器和乙太網連線能力，透過25路I/O通道進行處理與連接。25路I/O實際上包括4路類比IN和1路類比OUT通道、8路數位IN和8路數位OUT通道 ，以及一個4通道IO-Link模組連接4個支援IO-Link的感測器。 

成功的類比整合 

我們都知道，類比和獨立式元件佔據了PLC I/O模組約50%至70%的電路板空間；我們也知道，任何PLC中的I/O模組都需要大量的空間。所以，為了進一步縮減整個微型PLC系統的尺寸，我們就必須解決類比I/O的整合挑戰。 實現微型尺寸的方法之一是使用整合的類比元件，而非大量甚至數百個獨立的元件，以便使電路板的尺寸縮減、功耗降低，以及提高可靠性。 

圖4顯示八通道串列器(MAX31911)和四通道資料隔離器(MAX14932)，取代了傳統設計(下圖)中的數十個獨立式光耦合器和數以百計的電阻與電容。這款緊湊的Micro PLC方案的I/O通道容量與一般PLC相同。 

圖4：雙晶片的Micro PLC概念驗證設計可取代幾百個獨立式元件。 

利用IO-Link通訊標準實現普適感測 

在未來的工廠中，感測器將無處不在，並透過不同的介面連接至閘道器或直接連接至PLC。感測器將不再僅僅是發送開/關訊號，很快地還將發送豐富的資料。這正是IO-Link協定的用武之地，該協定是工業領域成長最快的感測器通訊技術。儘管IO-Link是一項IEC標準，但它根據業已確立的3線式感測器和致動器連接。 

從1980年代以來，工業現場匯流排已經能夠支援更智慧的裝置、更快地安裝、減少佈線以及更易於維護。然而，缺少統一且普遍可接受的現場匯流排，也引起了混淆、培訓挑戰、高成本以及設備之間的相容性問題。IO-Link協定是第一個開放、具備現場匯流排診斷能力、低成本、點對點的串列通信標準，已廣泛用於感測器和致動器通訊中，並被採用作為國際標準(IEC 61131-9)。

IO-Link協定為全世界的工業設備實現標準化以及相互間的互通性。該標準既可直接應用於PLC，也可整合至所有的標準現場匯流排。這種靈活性使其很快成為智慧裝置(如圖5中Maxim Santa Cruz光感測器MAXREFDES23#)通訊的既定標準。 

圖5：Santa Cruz光感測器參考設計方塊圖。 

IO-Link技術以及不斷小型化的感測器，推動了整個工廠邁向超小尺寸的節能感測器設計趨勢。圖6所示為Santa Cruz IO-Link色彩感測器。

圖6：微小尺寸的IO-Link光感測器MAXREFDES23#整合了6個感測器：環境光(白光)、紅光、綠光、藍光、紅外光和溫度感測器。全部整合於尺寸為6.5mm x 25mm的微型PCB上。

嵌入式硬體安全性考慮 

IC供應商往往忽視安全的重要性，這已經不是什麼秘密了。根據最近由Unisys與Ponemon Institute聯手在13個國家針對599名全球IT與IT安全主管的調查報告顯示，只有28%的受訪者認為安全是該公司內部前5大優先策略之一；然而，同一群人中有接近60%的人坦言網路威脅使其控制系統與SCADA系統處於危險中。 

只有28%的受訪者認為安全非常重要。這不禁令人感到擔憂，因為我們知道分散式控制和無所不在的連接性已經提升了對於安全性的重視。大多數的安全議題都圍繞更好的防火牆、入侵偵測系統以及安全交換架構上。但同樣重要的是對於可信賴硬體的需求，尤其是I/O模組和遠端現場感測器。這些裝置可能被複製或欺騙，特別是當周遭缺乏實體安全措施時。 

當發生這一類的破壞時，就會嚴重危害依據這些裝置收集資料進行關鍵決策的工業網際網路。所以，確保這些系統經過認證且安全至關重要。終究，如果沒有安全的嵌入式硬體，就無法好好享受工業4.0帶來的巨大潛力。 

重視工業4.0的安全系統必須先從傳送資料至雲端的可信賴感測器或PLC開始。遠端安全性漏洞的影響是最值得關注的問題。例如，如果受感染的感測器傳送偽造的油罐液面或管道壓力資料，那麼據此採取的措施(或者不採取措施)將可能造成災難性後果。這難道是危言聳聽嗎？當然不是。但的確有少數災難性後果是由於感測器資料受損造成的。如果資料受損，可完全拋開利用感測器資料預測維護需求的大資料分析程式。此處利害攸關的關鍵是正常運轉以及整體工業效率——這就是工業4.0的基石。

 並非所有感測器的實體安全隨時可行，尤其是感測器被用於非常偏遠的位置進行石油和天然氣的現場監測時，如圖7。位置偏遠使其很容易受到實體攻擊，所以在接受感測器資料之前對其進行安全認證至關重要。 

值得慶幸的是，早在幾年前已經建立了醫療和耗材(例如印表機墨水匣)的安全認證方法。如今，安全認證已經成為標準配備，而且必須利用符合安全認證協議的防篡改元件實現。 

圖8簡化的概念方塊圖顯示採用對稱SHA 256演算法的硬體安全認證機制。 

SHA-256協議基於安全認證元件之間的質詢-應答交換，在接收和讀取感測器資料之前先對感測器進行安全認證。SHA-256安全認證使攻擊者無法連接至網路並冒充感測器，甚至利用受感染的系統取代感測器系統。 

圖8：基於SHA-256的安全認證，用於以HART或其它任何通訊標準的遠端現場感測器。感測器和主機均已知頁面資料(32位元組)和金鑰(2位元組)。 

結語 

工業4.0是描述互連互通的現代化製造業方案，其中將不同的分散式PLC、感測器及其它現場設備的資料匯聚在一起，充分發揮分析和優化軟體的優勢。工業4.0可望最佳化製造資產，包括正常運轉、制訂維護計畫、電源效率，以及更高效地利用所有資源。製造資料也可整合到企業的ERP和CRM軟體中，從而高效地規劃製造製程，甚至利用客戶的資訊來改變組裝線和製程參數。 

然而，當您著手互連所有分離的製造系統時，必須考慮非常重要的系統設計因素，在本文中已經討論了其中幾項，介紹如何利用新的晶片技術，尤其是類比/混合訊號域來解決此類工業系統挑戰。這些新興的整合技術不僅允許縮減感測器系統和PLC的尺寸，也為現場關鍵I/O設備提供增加高性價比嵌入式安全機制的途徑。

(參考原文：Realizing Industry 4.0: the Essential System Considerations，by Suhel Dhanani)