由德國發起的「工業4.0」(Industry 4.0)概念,在全球逐漸發燒。不過,製造相關業者、半導體元件或是系統整合商,雖然明瞭工業4.0將為其帶來新的龐大商機,但普遍卻不很清楚該怎麼跨入市場,甚至如何在自家工廠導入工業4.0概念。

本文將從工業4.0起源及定義開始,以及闡述相關業者佈局策略,期可為讀者帶來清晰的工業4.0發展藍圖。

工業4.0提升製造業生產效能

維基百科(Wikipedia)中定義的工業4.0為「工業4.0或稱第四次工業革命(Fourth industrial revolution)、生產力4.0,是德國政府於2011年提出的高科技計劃,由德國聯邦教育及研究部和聯邦經濟及科技部聯合資助,投資預計達2億歐元,用來提升製造業的電腦化、數位化與智慧化。」工業4.0的目標不是創造新的工業技術,而是統合所有工業相關的技術、銷售與產品體驗,是建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠(Smart Factory),並在商業流程及價值流程中整合客戶以及商業夥伴。

另外,工業4.0技術基礎是智慧虛實整合系統(Cyber-Physical System,CPS)、物聯網(Internet of Things,IoT)以及智慧感測器網路,亦即透過感測器和致動器(actuator)將真實世界與虛擬世界相連接。

西門子(Siemens)數位工廠事業部、製程工業暨驅動科技事業部總經理鄭智峰表示,工業4.0涵蓋九大技術,包括擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)、模擬(Simulation)、巨量資料(Big Data)分析、自主性機器人(Autonomous Robot)、雲端運算(Cloud Computing)、工業網際網路(Industrial Internet)、網路安全(Cyber Security)、水平垂直整合/3D列印(3D Printing)以及增進系統智慧化。

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工業4.0的九大關鍵技術
(來源:維基百科)

若能在工廠中落實這九項技術,才能真正符合工業4.0定義需求。工業4.0能為製造業帶來提高生產靈活性、縮短產品上市時間及提升生產效率等優勢。因此,除了德國之外,歐美各國與中國大陸都已啟動工業4.0計畫,台灣政府也推出「生產力4.0」計畫,以協助台灣廠商加快進入工業4.0領域。

工業4.0商機誘人

自德國政府提出工業4.0之後,全球也開始發展,因而為製造商、半導體元件、系統整合廠商業者等帶來新的商機,其中機器人可謂是直接受惠的產業。

根據國際機器人聯合會(International Federation of Robotics,IFR)估計,2014年全球工業機器人市場銷量約22萬5,000台,創歷史新高,未來市場需求將持續成長。而服務型機器人也深具發展潛力,大致分為專業用、個人或家庭用兩類,IFR預測其2014~2017年市場總銷量,可望突破3,100萬台。

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1995~2013年全球工業型機器人安裝量
(來源:World Robotics 2014)

拓墣產業研究所(TRI)則表示,受到工業4.0浪潮驅動,2015年全球工業機器人市場銷量有望達26萬4,000台,年成長約15%;2016年有機會來到29萬台,年成長約10%。

不僅機器人產業直接受惠,有鑑於工業4.0囊括的九項技術中,自主性機器人只是其中之一,包括網路技術、雲端資料中心分析運算及儲存設備、軟體分析平台,以及半導體元件如微控制器(MCU)、感測器、網路技術元件…等等,也都因工業4.0而取得搶進新商機的門票。

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相關業者忙搶進

由於工業4.0新商機誘人,各家業者也都想與工業4.0「扯上關係」,以期可再擴大既有的營收規模。

處理器業者英特爾(Intel)為搶攻工業4.0與物聯網商機,早已開始佈局,除購併資訊安全軟體公司邁克菲(McAfee)、平台軟體供應商溫瑞爾(Wind River)外,目前更已透過該公司的閘道器和其他工業電腦如研華(Advantech)、凌華(ADLINK)合作,提供完整的物聯網平台予客戶,期可協助客戶快速建構物聯網應用平台,創造物聯網商機價值。

英特爾亞太區技術開發服務群物聯網架構師蔡嘉禾表示,工業4.0也就是工業物聯網(IIoT),過去的概念與應用即為機器對機器(M2M)。惟與M2M較為不同的是,工業4.0不僅僅只是透過網路技術連接機器設備,更須利用閘道器將數據網雲端或管理中心傳送,進一步分析,因此在物聯網或工業4.0基礎建設中,閘道器與應用平台的建置相當重要。

元件安全性/機器監測不可忽略:工業4.0欲實現的目標是——提升生產效率、製造為本、對應未來商機隨時改變生產線架構…等。台灣瑞薩電子(Renesas Electronics)行銷事業部經理黎柏均指出,工業4.0是強調更有效率的工廠與機械管理,仰賴通訊架構串連所有,但相對地必須面臨資料傳輸安全性與網路的可靠性挑戰。

而為了強化工業4.0安全,做為工業4.0架構的控制中樞——微控制器本身也須強化其安全性。而瑞薩電子與合作夥伴攜手強化其RX、R-IN MCU系列產品安全性,以提供更佳的物聯網資料傳輸安全。

發展工業4.0時,除了關注如何透過網路技術與後端管理平台架起工業4.0架構外,也必須注意第一線的機器監測。國家儀器(NI)技術行銷工程師吳維翰表示,工業4.0其中相當重要的一環即是機器狀況的監控,若這部份未能確實做好,將無法達到工業4.0提升生產效率的精神。

因此透過量測儀器中的資料擷取與振動感設器等裝置,再搭配統一的資料傳送閘道器,將可做到主動式防護,亦即可先一步知道機器是否即將損壞,也能提升機器檢測的效率,更可維護作業員的工作安全。

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通訊技術不可或缺:在連網技術方面,除了傳輸到雲端的有線與無線通訊技術外,工廠內部機器間的通訊也不可或缺。因此在工業4.0架構中,各種無線通訊技術將與工業乙太網路相輔相成,其中,可建構網狀網路的ZigBee已開始獲得廠商的重視。

芯科實驗室(Silicon Labs)台灣區總經理寶陸格說明,在工業4.0網路中,各種無線通訊技術都將有各自的定位,不會有所謂的取代效應發生。而ZigBee是由於具備網狀網路及自我修復的特性,因此在數量較多的機台或是公共設施應用上較為合適。另外,為了讓ZigBee透過IP的方式傳送資料,因此去年幾家業者也成立Thread聯盟,致力於將IP加入ZigBee技術中。

更重要的是,工業4.0中需要佈建許多感測器,這些感測器和無線網路節點元件相同,需要工作相當長的時間,也無法時時進行換電池或充電,因此元件本身需要相當省電,與節電、低功耗相關的電源管理IC(PMIC)也將在工業4.0設備中扮演重要角色。

完整垂直與平行整合才能緊握商機:由於德國許多業者已著手進行工業4.0的佈局,西門子也因而更加了解工業4.0的精隨,因此為提供最完整的解決方案,西門子早已透過購併的方式,將該公司所有產品進行垂直與水平整合。鄭智峰強調,西門子產品可涵蓋企業、管理、操作、控制、現場五大層面,而這五大層面也就是完整的工業4.0架構。

不僅提供完整的工業4.0解決方案予客戶,西門子自家的安貝格(Amberg)工廠已符合工業4.0的需求。鄭智峰指出,透過建構工業4.0工廠的經驗,西門子除了強化自身產品完整度,也具備協助業者建置其所需的工業4.0工廠的能力。此外,西門子也積極與台灣各界合作,以推升台灣工業4.0的發展。

工業4.0其中一項目標是透過自動控制、元件間最佳化或疊加系統協調執行一項完整的生產任務,需要為硬體、軟體和系統設計提供新的解決方案。尤其是對現場處理分散任務的緊湊、堅固的解決方案,對獲取感測器資料、精心設計PLC系統與中央IT系統和雲端的通訊需求不斷增強。

台灣浩亭(HARTING)總監林筆章認為,上述關鍵是從已建立的自動化技術轉向整合產業(Integrated Industry),即工業結合自動化和資訊技術,啟用新型商業模式、新的產品和服務,提高可靠性和生產率。為此,浩亭已在自家智慧工廠中實施廣泛的「浩亭為您提供整合產業解決方案」(HARTING Integrated Industry 4You,HAII4YOU)。

元件代理商搶分杯羹:最後,半導體元件代理商也在這波工業4.0浪潮中獲得新商機。若是欲進入工業4.0市場的業者,在沒有明確概念的狀況下,不知該採用哪些關鍵元件,或是想節省時間一次購足所需,那麼除原廠之外,代理商將是較佳的選擇。貿澤電子(Mouser)亞洲區技術支援主管蘇志倫提到,代理商不僅代理許多原廠的優質零組件以及被動元件,還建立應用與技術相關子網站,讓客戶可以最便利與快速的方式,構築工業4.0的應用技術藍圖。

安富利(AVNET)則與其合作夥伴提供完整的產品線,如多樣化開發平台、各類傳輸協定、無線感測網路(WSN)解決方案、微機電系統(MEMS)等,協助業者最佳化工業設備,提高生產效率,並進一步節省人力資源成本。未來安富利也將進一步加入系統整合的部份,期可幫助客戶選擇完整的元件產品,還可滿足客戶高度客製化需求。

網路+感測器≠工業4.0

由於目前工業4.0是片狀的發展,各家業者各自努力,未能串聯成全面的發展;也未有任何「標準規範」讓業者有所依循。因此工業4.0對多數業者而言,像一種「如陷五里迷霧」的技術與市場,但工業4.0絕非只是在生產機器上加上網路與感測器那麼簡單。

鄭智峰指出,許多廠商對工業4.0真正的意涵並不相當清楚,認為在機器上加上網路與感測器就是工業4.0,事實上,業者忽略了感測器收集到的資料分析、更智慧且具自主性的機器人如何實現…等等技術問題。

回歸先前提到工業4.0涵蓋的九項核心技術,要實現這些技術對相關業者而言,不是件簡單的事。德國累積了10多年相關技術能力,才能在2011年進一步提出工業4.0的計畫,並於2012年推動,因此業者若是只看到工業4.0市場的美好,而忘卻背後需要龐大的技術實力「加持」,不但無法真正了解工業4.0究竟要做什麼,還會陷入不知該從何下手發展工業4.0的窘境。

大一統標準規範路遙迢:除了技術問題外,統一標準遙遙無期亦成為業者發展工業4.0的絆腳石。安富利台灣總經理蔡守禮表示,目前工業4.0網路協定相當混亂,Google、Apple與一些IC供應商都各自有其解決方案,目前也尚未有任何跡象顯示會出現大一統的標準規範。黎柏均則認為,在有線傳輸技術部份,工業乙太網路可望成為工業4.0通訊標準技術之一。

值得注意的是,發展工業4.0時,業者勢必會面臨介面——也就是互通性——的問題。鄭智峰認為,工業4.0或許不需要統包方案(Total Solution),不過標準化相當重要,問題是目前標準尚未並定義,且標準化發展暫時不會出現,以至於目前工業4.0呈現廠商各自努力的現象。再者,許多廠商可能無力建構完整垂直與/水平整合的產品,而選擇跨業合作,但勢必會遭遇各家產品介面互通性問題,造成其客戶遭遇問題時,無法有效解決。

鄭智峰表示,國際大廠的確有主導工業4.0標準建立的優勢,不過小廠間的異業合作是否也能夠建立大一統的標準,仍需時間觀察。但大一統標準何時出現,實無法進一步由現階段市場發展現況來預測,而介面問題也將成為工業4.0發展的一大隱憂。

發展工業4.0 台灣產業危機或轉機?

在全球「瘋」工業4.0的同時,台灣業者與政府也相當關注工業4.0。不過,台灣發展工業4.0時將遭遇何種挑戰,將是台灣廠商須留意的部份。鄭智峰分析,事實上,台灣與德國製造業有相當相似之處,如依賴外銷、製造能力強、注重機械製造發展,且皆遭遇人口老化問題,因此台灣業者借鏡德國廠商的發展歷程最適合不過。

唯台灣與德國廠商仍有不同之處,即是德國擁有許多自有品牌,但台灣多為代工,因此德國廠商能根據其產品所需與特性,清楚了解其該發展工業4.0九大技術中的那幾項;而台灣廠商則由於都是依循母廠要求進行產品設計製造,因此尚未能掌握工業4.0的重點技術。

鄭智峰強調,未來台灣製造業若仍是想以低成本、品質策略競爭,將可能連已積極發展工業4.0的中國大陸都無法匹敵。因此台灣廠商在調整心態後,逐步發展工業4.0要求的九大項技術,再加上官方政府的推展及協助,進一步強化工業自動化程度。

另外,台灣業者除了最佳化硬體製程、建立製程模組化外,還須全面整合自動化設計;而軟體平台的建構則須從基礎環境整合開始,並建立工廠數位平台、結合自動化設計,最後還需重視網路安全、工業4.0應用方式等,進而達成台灣工業4.0計畫——「生產力4.0」目標。

作者:Anthea Chuang