眾志成城 打造全方位智慧工廠

作者 : Anthea Chuang,EE Times Taiwan

2019年5G網路商用正式啟動,為工業市場帶來新的應用技術。在包括人工智慧(AI)、自動光學檢測(AOI)、機器學習、機器視覺、遠端即時操控…等技術,受惠5G而有更進一步發展的同時,各家業者也紛紛提出相對應的技術與產品,以期可攜手實現「智慧製造」。

2019年5G網路商用正式啟動,為工業市場帶來新的應用技術。在包括人工智慧(AI)、自動光學檢測(AOI)、機器學習、機器視覺、遠端即時操控…等技術,受惠5G而有更進一步發展的同時,各家業者也紛紛提出相對應的技術與產品,以期可攜手實現「智慧製造」。

AI/5G成工業智慧化加速器

要實現智慧製造,首先要讓智慧製造主控端與分散在各處裝置的大腦變得更聰明,而近期受到各方矚目的人工智慧、機器學習技術,發揮了重要的功能。Toshiba技術行銷部副協理水沼仁志表示,工業4.0加速器包括結合人工智慧、5G等技術以帶動工業4.0市場的發展,以及加速客戶端應用個個差異化,再進一步細分,工業4.0加速器包括現場控制(FOC)、時效性網路(TSN)與深度神經網路(DNN)。

FOC牽涉到工業環境現場中的許多裝置,尤其是馬達控制,因此微控制器(MCU)的效能將扮演關鍵作用;TSN因為可保障QoS的新標準,因此受到業者矚目,並可透過橋接器直接與處理器中的PCIe控制器連接;而DNN則是讓整個系統可更智慧的關鍵,也因此在主系統處理器,甚至邊緣端的大腦微控制器中,也都開始加入DNN,以實現機器學習與人工智慧。

因此,目前處理器與微控制業者皆積極在自家產品中導入人工智慧,以助終端即主控中心能更加智慧,加快實現智慧製造的目標。意法半導體(STMicroelectronics)技術行銷專案經理王柏維表示,從終端裝置到雲端,這一完整的資料傳遞與回應過程中,以及安全性、傳輸技術…等都需要微控制器協助,因此若是要加強終端的智慧,微控制器將是最合適的元件。

事實上,目前人工智慧的應用已不侷限在消費性電子,智慧工業亦已開始導入,如自動化、物件辨識或是一些工廠維護性工作。王柏維指出,由於一切仰賴雲端將為雲端帶來更多負擔,因此物聯網的發展也推動了邊緣人工智慧的興起,而邊緣端的人工智慧自然得由微控制器一肩挑起。

微控制器能做到多「聰明」的人工智慧?NXP應用工程部經理簡志達說明,微控制器由於運算的效能仍是比不上專用處理器,就人臉辨識這一應用為例,基於微控制器的裝置大約僅能辨識200張以內的臉孔,且較難做到防偽的功能,也就是判別是真人臉部或是照片;而基於微處理器(MPU)的裝置則較無此限制。

但這也不是表示微控制器無法執行強大的人工智慧,促使終端裝置應採用微處理器。簡志達認為,應該從終端裝置的需求與應用來考慮——低成本、低耗電,一直是終端裝置主要的訴求,也因此微控制器可執行的人工智慧效能已能滿足所需。

感測器小兵立大功

物聯網應用中,無論是智慧工業、車連網、智慧家庭或是智慧城市,感測器勢必是不可或缺的「小兵」。安富利亞洲區IoT市場發展副總監張家源表示,無論智慧製造或是工業物聯網中,感測器是工廠環境與監重要的介面,可將各種資料透過數位化的方式收集,已讓後續的各種智慧工廠應用或是人工智慧、機器學習系統,有足夠且有力的資料能夠做出正確的指示與判斷。

值得注意的是,對於人工智慧與機器學習系統來說,若是沒有感測器,將無法取得進行分析與判斷的大量資料作為依準。張家源指出,人工智慧的分析能力對整個智慧工廠來說,是相當有價值的一部分,但若是人工智慧沒有足夠的資料做分析的後盾,這樣的人工智慧將無法為實現智慧工廠帶來幫助。

無線技術打通任督二脈

雖然感測器是智慧製造中的重要的小兵,但若是少了有線與無線傳輸技術,小兵將無法將資料傳送給裝置或是主控中心的微控制器及微處理器大腦,也無法打造完備的智慧工廠。Silicon Labs台灣分公司資深應用工程師林仕文援引IHS的統計資料表示,至2025年,全球物聯網裝置量將達8,000萬台,其中工業相關應用將有很大的成長,這些散落在各處的物聯網裝置,若是彼此相關,自然需要網狀網路串連起來。

網狀網路的優勢包括可以擴展傳輸距離、降低功耗、增加應用系統的涵蓋範圍、提升系統可靠度,以及強化即時性。也因此,包括ZigBee、Thread、藍牙…等具備網狀網路特性的通訊技術,已獲得市場青睞。

藍牙SIG開發者關係資深經理任凱指出,雖然藍牙技術發展網狀網路的時程仍然相當「年輕」,但是藍牙技術憑藉著技術特性與在消費性市場發展的優勢,已逐漸打入智慧工廠中。根據ABI Research預估,2023年藍牙裝置在工業市場的出貨量將達2億7,800萬台。

而有這樣的成果,任凱認為,除了網狀網路的加持,新的藍牙尋向功能(Direction Finding),也是讓藍牙技術在工業市場得以發展的原因之一。藍牙5.1的尋向功能精準度可到公分級,相關應用包括物體接近、定位系統等,可協助管理人員定為員工位置,降低人員管理上的成本與確保作業員的安全。

不過,無線技術雖然可為智慧工廠帶來眾多優勢,但林仕文也提醒,無線網路的安全性不可忽略,否則將造成嚴重的損失。

儲存裝置不忘過往

擁有人工智慧的大腦,需要將許多資料儲存在記憶區,以便隨時取用,因此儲存裝置勢必成為智慧工廠中的要員之一。Apacer產品技術副理朱家君表示,工業應用中從工業電腦到雲端都需要合適的SSD或是DRAM,協助儲存重要的資料,以便工業系統「溯及既往」或是儲存更多重要資訊。

不過在工業應用裡,對於儲存裝置的要求可不簡單。朱家君說明,可靠性、耐受嚴苛環境的能力、使用壽命長…等都是工業市場基本的要求,若是業者們不了解哪種儲存裝置符合需求,亦或者更進一步了解儲存裝置的工作現況,避免任何因儲存裝置「停工」而造成的損失,現已有儲存裝置業者開發診斷平台,可進一步協助解決各種問題。

工業電源為智慧工廠提供「能量」

工廠機具、控制中心…等設備要順利運作,電力是目前最主要的動力來源。Maxim技術應用部門資深工程師顏金福表示,沒有電力工廠就如同一個沒有能量的人,無法做任何事,沒有電力工廠將完全停擺;但電力系統若不夠安全,將會造成工廠極大的損失。

因此電源模組、電源元件…等與電源相關的裝置一定要能夠在工廠各種嚴苛環境下工作。不僅如此,顏金福提到,為了確保電源系統的安全性,電源模組或是系統中的隔離元件,將扮演重要角色。如何在電路或系統中選用適切且最佳的隔離元件,將關係到整體電源裝置的安全性與防護效果,相關業者不可不慎。

連接IT與OT不費周折

分佈在工廠內的「硬體」建置完成之後,接下來要面臨一個最大的挑戰——目前建立完備智慧工廠的最大「絆腳石」是如何連結對工廠而言是新技術的IT,以及現有的OT。Microsoft大中華區物聯網解決方案負責人林孟洲根據Microsoft在2019年針對工業市場發展趨勢報告的內容中表示,2019年製造業的主要發展趨勢包括IT/OT/CT融合、XaaS時代來臨、智慧製造從話題變為現實、新型製造技術崛起、新業務/形態/新時代的員工出現,以及迎接一個多變的時代…等。

其中,光是IT/OT/CT融合就會讓業者感到一個頭好幾個大。林孟洲舉例,老師傅的經驗傳承不僅有斷層,還遭遇該如何化為IT技術的挑戰;再者,所有的裝置都連網後,如何去「使用」這些裝置,也是問題,而這些都有待順利串接IT與OT,才能進一步解決。

為協助業者跨越上述障礙,打造真正完備的智慧工廠,相關業者也紛紛提出解決方案。Adesto中國區經理孫麗峰表示,現有的工業系統大多採用不同的網路技術,該如何共享互通;且工業網路相當要求穩定、可靠與安全性,都是Adesto致力為工業市場解決的大問題也是課題之一。

IT與OT融合的問題解決,再加上可無縫共通的網路環境,以及各類最新軟硬體支援及新技術的加持,孫麗峰認為,這樣的智慧工廠,將能真正呈現在業者面前,並滿足市場對於智慧製造的各項要求。

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