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全面解析工业4.0:从起源到未来

导读: 回归先前提到工业4.0涵盖的九项核心技术,要实现这些技术对相关业者而言,不是件简单的事。德国累积了10多年相关技术能力,因此业者若是只看到工业4.0市场的美好,而忘却背后需要庞大的技术实力“加持”,不但无法真正了解工业4.0究竟要做什么,还会陷入不知该从何下手发展工业4.0的窘境。

  近几年,国际上掀起了新一轮科技革命和产业变革的热潮,发达国家顺应潮流,纷纷抛出刺激实体经济增长的国家战略和计划,希望通过技术进步和产业政策调整重获在制造业上的竞争优势。本文将从工业4.0起源及定义开始,以及阐述相关业者布局策略,期可为读者带来清晰的工业4.0发展蓝图。

  工业4.0提升制造业生产效能

  维基百科(Wikipedia)中定义的工业4.0为“工业4.0或称第四次工业革命(Fourth industria lrevolution)、生产力4.0,是德国政府于2011年提出的高科技计划,由德国联邦教育及研究部和联邦经济及科技部联合资助,投资预计达2亿欧元,用来提升制造业的电脑化、数位化与智慧化。”工业4.0的目标不是创造新的工业技术,而是统合所有工业相关的技术、销售与产品体验,是建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂(Smart Factory),并在商业流程及价值流程中整合客户以及商业夥伴。

  另外,工业4.0技术基础是智慧虚实整合系统(Cyber-Physical System,CPS)、物联网(Internet of Things,IoT)以及智慧感测器网路,亦即透过感测器和致动器(actuator)将真实世界与虚拟世界相连接。

  西门子(Siemens)数位工厂事业部、制程工业暨驱动科技事业部总经理郑智峰表示,工业4.0涵盖九大技术,包括扩增实境(AR)/虚拟实境(VR)、模拟(Simulation)、巨量资料(Big Data)分析、自主性机器人(Autonomous Robot)、云端运算(Cloud Computing)、工业网际网路(Industrial Internet)、网路安全(Cyber Security)、水平垂直整合/3D列印(3D Printing)以及增进系统智慧化。

  若能在工厂中落实这九项技术,才能真正符合工业4.0定义需求。工业4.0能为制造业带来提高生产灵活性、缩短产品上市时间及提升生产效率等优势。因此,除了德国之外,欧美各国与中国大陆都已启动工业4.0计画,台湾政府也推出“生产力4.0”计画,以协助台湾厂商加快进入工业4.0领域。

  工业4.0商机诱人

  自德国政府提出工业4.0之后,全球也开始发展,因而为制造商、半导体元件、系统整合厂商业者等带来新的商机,其中机器人可谓是直接受惠的产业。

  根据国际机器人联合会(International Federation of Robotics,IFR)估计,2014年全球工业机器人市场销量约22万5,000台,创历史新高,未来市场需求将持续成长。而服务型机器人也深具发展潜力,大致分为专业用、个人或家庭用两类,IFR预测其2014~2017年市场总销量,可望突破3,100万台。

  拓墣产业研究所(TRI)则表示,受到工业4.0浪潮驱动,2015年全球工业机器人市场销量有望达26万4,000台,年成长约15%;2016年有机会来到29万台,年成长约10%。

  不仅机器人产业直接受惠,有鉴于工业4.0囊括的九项技术中,自主性机器人只是其中之一,包括网路技术、云端资料中心分析运算及储存设备、软体分析平台,以及半导体元件如微控制器(MCU)、感测器、网路技术元件…等等,也都因工业4.0而取得抢进新商机的门票。

  相关业者忙抢进

  由于工业4.0新商机诱人,各家业者也都想与工业4.0“扯上关系”,以期可再扩大既有的营收规模。

  处理器业者英特尔(Intel)为抢攻工业4.0与物联网商机,早已开始布局,除购并资讯安全软体公司迈克菲(McAfee)、平台软体供应商温瑞尔(Wind River)外,目前更已透过该公司的闸道器和其他工业电脑如研华(Advantech)、凌华(ADLINK)合作,提供完整的物联网平台予客户,期可协助客户快速建构物联网应用平台,创造物联网商机价值。

  英特尔亚太区技术开发服务群物联网架构师蔡嘉禾表示,工业4.0也就是工业物联网(IIoT),过去的概念与应用即为机器对机器(M2M)。惟与M2M较为不同的是,工业4.0不仅仅只是透过网路技术连接机器设备,更须利用闸道器将数据网云端或管理中心传送,进一步分析,因此在物联网或工业4.0基础建设中,闸道器与应用平台的建置相当重要。

  元件安全性/机器监测不可忽略:工业4.0欲实现的目标是——提升生产效率、制造为本、对应未来商机随时改变生产线架构…等。台湾瑞萨电子(Renesas Electronics)行销事业部经理黎柏均指出,工业4.0是强调更有效率的工厂与机械管理,仰赖通讯架构串连所有,但相对地必须面临资料传输安全性与网路的可靠性挑战。

  而为了强化工业4.0安全,做为工业4.0架构的控制中枢——微控制器本身也须强化其安全性。而瑞萨电子与合作夥伴携手强化其RX、R-INMCU系列产品安全性,以提供更佳的物联网资料传输安全。

  发展工业4.0时,除了关注如何透过网路技术与后端管理平台架起工业4.0架构外,也必须注意第一线的机器监测。国家仪器(NI)技术行销工程师吴维翰表示,工业4.0其中相当重要的一环即是机器状况的监控,若这部份未能确实做好,将无法达到工业4.0提升生产效率的精神。

  因此透过量测仪器中的资料撷取与振动感设器等装置,再搭配统一的资料传送闸道器,将可做到主动式防护,亦即可先一步知道机器是否即将损坏,也能提升机器检测的效率,更可维护作业员的工作安全。

  通讯技术不可或缺:在连网技术方面,除了传输到云端的有线与无线通讯技术外,工厂内部机器间的通讯也不可或缺。因此在工业4.0架构中,各种无线通讯技术将与工业乙太网路相辅相成,其中,可建构网状网路的ZigBee已开始获得厂商的重视。

  芯科实验室(Silicon Labs)台湾区总经理宝陆格说明,在工业4.0网路中,各种无线通讯技术都将有各自的定位,不会有所谓的取代效应发生。而ZigBee是由于具备网状网路及自我修复的特性,因此在数量较多的机台或是公共设施应用上较为合适。另外,为了让ZigBee透过IP的方式传送资料,因此去年几家业者也成立Thread联盟,致力于将IP加入ZigBee技术中。

  更重要的是,工业4.0中需要布建许多感测器,这些感测器和无线网路节点元件相同,需要工作相当长的时间,也无法时时进行换电池或充电,因此元件本身需要相当省电,与节电、低功耗相关的电源管理IC(PMIC)也将在工业4.0设备中扮演重要角色。

  完整垂直与平行整合才能紧握商机:由于德国许多业者已着手进行工业4.0的布局,西门子也因而更加了解工业4.0的精随,因此为提供最完整的解决方案,西门子早已透过购并的方式,将该公司所有产品进行垂直与水平整合。郑智峰强调,西门子产品可涵盖企业、管理、操作、控制、现场五大层面,而这五大层面也就是完整的工业4.0架构。

  不仅提供完整的工业4.0解决方案予客户,西门子自家的安贝格(Amberg)工厂已符合工业4.0的需求。郑智峰指出,透过建构工业4.0工厂的经验,西门子除了强化自身产品完整度,也具备协助业者建置其所需的工业4.0工厂的能力。此外,西门子也积极与台湾各界合作,以推升台湾工业4.0的发展。

  工业4.0其中一项目标是透过自动控制、元件间最佳化或叠加系统协调执行一项完整的生产任务,需要为硬体、软体和系统设计提供新的解决方案。尤其是对现场处理分散任务的紧凑、坚固的解决方案,对获取感测器资料、精心设计PLC系统与中央IT系统和云端的通讯需求不断增强。

  台湾浩亭(HARTING)总监林笔章认为,上述关键是从已建立的自动化技术转向整合产业(Integrated Industry),即工业结合自动化和资讯技术,启用新型商业模式、新的产品和服务,提高可靠性和生产率。为此,浩亭已在自家智慧工厂中实施广泛的“浩亭为您提供整合产业解决方案”(HARTING Integrated Industry 4 You,HAII4YOU)。

  元件代理商抢分杯羹:最后,半导体元件代理商也在这波工业4.0浪潮中获得新商机。若是欲进入工业4.0市场的业者,在没有明确概念的状况下,不知该采用哪些关键元件,或是想节省时间一次购足所需,那么除原厂之外,代理商将是较佳的选择。贸泽电子(Mouser)亚洲区技术支援主管苏志伦提到,代理商不仅代理许多原厂的优质零组件以及被动元件,还建立应用与技术相关子网站,让客户可以最便利与快速的方式,构筑工业4.0的应用技术蓝图。

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