目前,經常被稱為「工業4.0」(Industry 4.0)或是德國所稱的‘Industrie 4.0’典範轉移正在進行中。在國際間的使用習慣上,(工業)物聯網(Industrial IoT)、智慧工廠或是虛實整合(生產)系統等專有名詞通常都可以互換用於代表同一件事情。工業4.0意指工業價值鏈及其產品朝向數位化與網路化發展的全球趨勢。

工業4.0的高度發展(特別是在德國),絕非僅僅發生在商業世界。工業4.0因為其對於經濟帶來的衝擊,例如進一步地發展德國製造業的競爭力,因而也受到政治面的驅動。在這樣的氛圍之下,政府官員開始推動一項結合供應商與使用者公司觀點的雙重策略,主要著眼於工業自動化以及工廠設計。為此,對於製造商來說,重要的是將最新技術用於其生產製程中,以及將這些技術與產品推廣到市場上。

從主導供應商的角度而言,資訊或通訊技術與典型高科技方案的整合,主要是用來擴展生產部門以及其技術。為了實現如此的擴展,必須滿足由於市場動態與複雜度日益升高而出現的先決條件。從製造商的觀點來看,設計出適合新市場並且在往後可以服務這些市場的智慧技術與產品十分重要。因應供應商與製造商的需求,公司需要有能夠因應這兩種觀點的策略。舉例來說,半導體產業的公司就很擅長採用這些雙重策略。

許多半導體製造商都能處理這種複雜的概念,將自家生產線轉型為全自動化的智慧工廠,例如Analog Devices (ADI)。此外,這些製造商也為同屬製造領域的其他公司提供了創新的技術,協助將其製造設施轉換成智慧工廠。因此,中小型企業在此扮演了重要角色,因為他們是德國工業的主要組成(比重超過98%)。究竟,工業4.0實際的支援類型為何,半導體製造商面對的挑戰,以及它將帶來什麼樣的機會,這些問題都會在文中逐一探討。

公司必須決定其製造設施是否要轉型成智慧工廠,而其所代表的則可能是無意義的努力,或者是以相應地成本降低實際提升生產力。

為了找到這些關鍵問題的答案,多家市場研究公司已經進行大量的研究了。他們都得到了相同的結論:工業4.0將會對中小型企業提供附加價值,而企業也應該抓住相關機會,藉以鞏固其公司的成功。特別是對於半導體製造商而言,其研究的結果可以分成三個部份:新技術、新產品的提供以及新事業模式。這三個方面結合起來就涵蓋了生產及其產品的整體價值鏈——起始於感測器節點,透過雲端,然後到達下游服務。

就轉型至智慧工廠而言,在智慧化以及節能產品方面有著強制性的需求,或者甚至是可以透過簡單的方法(例如即插即用)整合至現有生產架構的完全自動化系統。這些系統是由各種半導體元件與感測器,並結合類比與數位訊號處理IC而組成的。價值鏈從這些元件開始——首先,感測器負責收集來自於現實世界的資料,接著必須在數位領域內轉換與處理資料(圖1)。

20170816_ADI_TA31P1 圖1:智慧工廠的訊號鏈

新的需求是什麼?

隨著價值鏈的發展,市場需求也需要隨之改變。這就是為何半導體製造商必須調整自家企業及其產品以因應智慧工廠現實之故。技術的趨勢正朝著智慧化與節能產品,以及整合安全防護與能量採集等功能的方向發展。這樣的元件,或是更完整的系統看起來就如圖2所示,採用ADI以MEMS為基礎的加速度計ADXL356。

ADXL356是一款低成本、低雜訊的三軸加速度計,具有高達±40g的量測範圍(FSR)。此元件的關鍵特點在於具有極低的偏置漂移以及低功率耗損。由於ADXL356採用高度密閉的封裝方式,因此特別適合在嚴苛環境中進行精密的傾斜量測、高解析度的振動量測,以及在低電流或是以電池運作的無線感測器網路中實現高性能(長時間)的測量,例如用於結構健康監測(SHM)、姿態航向參考系統(AHRS)或是其它各種猛然間受到過多力度的應用裝置。

ADXL356形成了系統的基礎,然後再以更多的功能加以延伸:透過類比數位轉換器(ADC)、微控制器,以及各種類比與數位元件,部份絕緣或是支援乙太網路(Ethernet)、6LpoWPAN或ADRadioNet等通訊標準的無線介面,實現整合型訊號處理功能。ADI開發的ADRadioNet通訊標準是一種無線的自癒多點跳躍通訊協定,具有高可擴展性與低記憶體消耗等特性。此外,整合的加密方式像是AES-128與AES-256改善了安全性,以避免可能的網路攻擊。最後,功能安全在這些系統的開發過程中扮演了重要的角色,因為這一點在智慧工廠架構下也具有相等的重要性。

對於半導體製造商而言,未來若只是延伸其感測器與其它半導體元件的範圍是不夠的。為了要在市場上被認可為一家全球廠商,以及深入開發工業4.0的完整潛力,現有產品的範圍必須要以通訊和低功率微處理器技術予以擴展。例如,ADI為通訊領域提供多個使用HART數據機的解決方案,可利用既有的基礎架構,以相當簡單的方式改善傳統的匯聚型通訊網路,實現其新的節能技術。

20170816_ADI_TA31P2 圖2:以MEMS為基礎的智慧感測器解決方案

根據市場研究顯示,中小企業希望得到製造商與供應商的大力支持,以便更快且更具效率地將新產品整合於其系統中。透過這種方式,企業就可以減少額外的工作,且能持續地專注於其核心事業上。尤其是供應商企業之間的合夥或合作計劃,都可以被視為是支援的類型。

因為工業4.0有著許多的優點,許多相關的問題也隨之而起,像是為何有許多的企業至今仍未投資打造自家智慧工廠?

猶豫的原因

投資的主要障礙之一就是對於智慧工廠感受到的非利益因素及其有關的成本。舉例來說,由於缺乏貨幣評估的標準,因此目前想要計算投資率仍然是相當困難的。所以半導體製造商必須提升其客戶的認知,並提供能夠展現智慧工廠優點的教育材料,同時也要指出在投資時所能獲得的價值。

然而,投資的進行不能只限於有意願要將自家設施轉型為智慧工廠的中小企業。智慧化解決方案的供應來源,例如半導體製造商,必須要投資於其產品上,甚至可能要投資於各種事業部門所需的重新建構方面。對於新的技術與事業模式,以及行銷活動、資格評估以及銷售管理的開發與擴展而言,投資是必要的。

隨著生產領域的轉型,資料與IT安全等領域的重要性不斷地受到重視。這些主題不只是成功導入工業4.0的重要需求而已,還必須持續地實施於數位系統當中,做為關鍵的接納與成功的因素。

對於許多公司而言,重要的是在實施工業4.0的早期階段即設定基本策略課程,以相關技術匯整經驗。然而,這個過程需要相當的耐性,因為許多相應技術在5至10年或更長的時間內都還不太可能充份地發揮潛力。因此,工業4.0的實施過程將會需要很長的時間。此外,由於缺乏一套清楚的定義,因此哪一種工業4.0將被完整執行並沒有確切的日期。與其討論工業革命,改用「工業演進」這樣的說法還更具意義。

隨著生產環境的改變,新的廠商與競爭者也會出現或是影響市場。各種聯盟也會隨之出現,並將以一種更有意義的方式塑造生產的形象。工業或是企業的未來將越來越不必在工廠內決定。軟體與服務領域也將會扮演重要角色,因為只有將虛擬與現實的世界加以連結與合併,才能確保有更強大的生產潛力。

對於企業而言,目前的發展步調顯然正加速中,假如錯過了這一波大勢,往後將很難以再跟上腳步。

因此,企業不再只是把工業4.0當作是一個短暫炒作的話題。同時,目前的市場發展也清楚地顯示出業界朝向工業4.0與智慧工廠前進之勢不可擋。至於缺少標準、缺少安全性、缺乏知識等大問題,顯然也就相對地變成小問題了。此外,對於未來生產環境的疑慮也隨之減少了。

總而言之,朝向智慧工廠轉型的工業4.0及其所需的技術,為半導體製造商與其成功提供了龐大的潛力。