提升生產效率一直以來為工廠努力的重要方向。隨著連線、控制與感測技術的進步,工廠透過自動化與智慧化的生產模式,結合雲端大數據分析與先進的通訊技術,持續優化生產製程,讓生產線更有效率。

《電子工程專輯》(EETimes Taiwan)與《電子技術設計》(EDN Taiwan)共同舉辦的TechTaipei——「智慧製造新時代工業4.0展開高效能革命」,邀集各家智慧製造領域的關鍵廠商進行分享,探討工業4.0生產技術趨勢,以及如何透過智慧製造技術,讓工業生產製造持續地進化。

《電子工程專輯》副主編鄭伃君指出,工業4.0自動化不僅是讓自動化機器在產線大量生產,而是要達到大量客製化,並且讓生產更有彈性,而非以往追求量化的生產模式。

意法半導體亞太區技術行銷經理余玟宏談到未來驅動智慧工廠發展的三大方向,第一是能源使用更有效率。「全世界工廠佔了全球能源消耗的40%,如何有效率地使用能源將是重要目標。工廠內部的控制器本身,在電源轉換、能量收集、電力儲存與馬達控制上,都可以透過控制器來提高效率,減少能源的損耗。」第二是導入更多人工智能與機器感知。他解釋,工廠生產架構上,增加分散式本地生產的控制器、各種感測器,有效地來處理周圍的訊號。分散式本地的處理器可將這些數據安全即時地轉換出有效的訊息,讓機器能了解周圍的人事物,提供一個更方便簡單的互動式介面,並且實現了及時監控與預測性維修。第三是更多連接性,本地控制器將資料傳送到網路中心,進行即時分析,了解那些機器需要即時支援,面對特殊情況時也得以快速地應變,優化生產流程。

資料正確性與同步性

工業4.0的理想境界是達到機器與人的和諧互助。台灣歐姆龍顧客服務部部長杜英隆說:「重複的工作交給機器做,人類將精力放在具有創造性的工作。」他談到物聯網對於工廠現場改善與智慧化的影響。透過數據管理,分析工廠節點間的資料,縮短異常處理時間,改善稼動率與提升品質。杜英隆表示,資料的取得與正確性是現在IoT最大的關鍵點,「大家目前都想做工廠智慧化,但現在只做到資料收集,資料正確性上還有成長空間。」他解釋,資料分析上需要確認正確性,包含時間上的同步性、底層感測器所感測到的解析度是否足夠判斷錯誤點以及取樣的可行性,即感測器能否偵測到標的物,例如半導體的震動偵測與預測。

此外,檢查異常是耗時的工作,透過工班的時間戳記(timestamp)來找出設備發生異常或是閒置的狀況,透過蒐集與整合數據,除了可較為精準快速地判斷如何解決異常狀況,也可判斷或預測設備與元件在何時可能會發生異常,透過控制元件本身內建的資料進行分析並發出提醒,可視情況再針對零件備料。

Microchip Technology主任工程師胡立堅提到,工業4.0是結合虛跟實的一種技術,並結合數據分析。他強調同步的重要性,需要指標以確保數據比對的正確性。他以手錶理論來說明,「若是兩隻手錶有不同的時間,就無法判斷誰的時間是正確的。「同樣地,工業4.0是一台豪華的車子,若沒有同步的話,如同一台沒有輪子的車子,哪裡都去不了。」

OT與IT技術融合

Toshiba半導體技術行銷部副協理水沼仁志(Hitoshi Mizunuma)認為,工業4.0的目的是融合IT與OT,但因為OT對於時效性(time sensitive)的要求非常嚴格,因此要讓生產線上所有的機器都連上網路,使每個機器都具備智能,並不容易做得到。他提到,目前工廠PLC本身功能有限,而IPC與工廠距離太遠,無法即時蒐集到所需要的參數,可能會因此導致一些判斷錯誤。「解決方案是放一台新的機器在OT與IT設備中間,不需要動到下層OT網路,問題是這些現場匯流排(fieldbus)未來會有頻寬不足的問題。為了解決這個問題,生產機器供應商把現有的網路介面切換成乙太網路,好處是成本很低且與IT網路的相容性高。

胡立堅提到,時效性網路(TSN)的概念是結合操作技術(OT)與資訊技術(IT)網路,我們把網通想成是高速公路,車子是數據,而TSN則是高鐵,每個站都有它特定的時間,只有某種特定的車子(資料)可以過去,先定義某些特定的時間中可以傳送特定資料,將OT需要的資料先定義好,剩下的提供給視訊串流(video stream)或是IT資料傳輸。

水沼仁志提到,工業智慧化使得OT網路的結構產生變化,以往PLC控制功能簡單,傳統的感測器只會用到溫度計,當溫度異常就停止運作,缺點是一旦生產線停下來,損失不小。現在工廠智慧化後,OT網路接上更多不同的感測器,包括動作、壓力感測器等,比以往蒐集更多複雜大量的環境參數。他舉現在日本高檔的鑽孔機為例子,一邊鑽孔,一邊偵測機器刀片的疲勞度,當偵測到刀片損壞時立即停止運作。

連接技術各家爭鳴

無線連接方式這兩年在工業應用中開始逐步成長,看好無線通訊的未來成長潛力,各家廠商開始推出相應的解決方案,其中低功耗藍芽、Sub-1GHz、Wi-Fi、ZigBee為常見的標準。

德州儀器半導體行銷與應用嵌入式系統經理王盈傑指出,工業上常見的有線網路介面為Ethernet、RS485、PLC,無線傳輸協定則為Wi-Fi、BLE、Sub-G,可涵蓋到約九成的應用。他表示,Sub-1GHz用於低資料量、長距離的傳輸,由於其頻率較低,距離可長達數公里到數十公里,例如1 kbit/s可傳到20公里以上,加上PA甚至可長達100公里,等同於台北到新竹的距離。工業中的電表與水表需要網狀拓樸的無線網路,ZigBee為發展成熟的通訊協定。假設需要測量農場遠端一個點的溫度,人員可以利用身上的藍芽Beacon裝置透過廣播方式(broadcast)接收資料,再利用Sub-1GHz回傳到數十公里以外的中控中心。

由於目前工廠設備的軟硬體由不同機器供應商所提供,會產生介面與標準相容性的問題,跨平台無法互動。水沼仁志表示,工業乙太網路(Industrial Ethernet)將是未來工業4.0的關鍵技術,採用比重由2015年34%提高到2017年的46%,年成長率超過20%。然而,目前Industrial Ethernet市場處於戰國時代,互不相容且互相競爭。「Ethernet TSN為官方標準(de-jure standards),有人擔心會被業界標準(de facto standard)取代,但我們認為Ethernet TSN會取代之前那些不相容的標準。」

設計重點與挑戰

導入物聯網應用到工業領域,有哪些設計重點?Silicon Labs台灣區資深應用工程師何天仕提到表示,物聯網中的節點(Node)必須要有感測(sense)的功能,無論是透過有線或無線的方式去接收資料,或透過ADC的方式去感應周圍環境,必須要有感測器介面與外界接觸。在處理器方面,透過MCU做核心運算,將擷取進來的資料傳遞或打包後再送出,或處理類比訊號。接著是連接能力,將處理過的資料連結到雲端或是跟各裝置進行溝通。

他還提到,現在的產品面對許多不同的通訊協定(protocol),需要很大的資料儲存空間,因此應具備記憶體的擴充性並支援不同的無線介面。此外,使用者經驗也帶來新的設計挑戰。傳統開關採用電阻式按鍵,現在為了簡潔美觀,改用電容觸控式,甚至用光感測的方式,提供不一樣的控制方式。而設備顯示設計也開始屏除外接式的面板螢幕,設備本身即可顯示螢幕資訊,例如情境式的遙控器,上面就會顯示溫度。

物聯網安全至關重要

華邦電子快閃記憶體產品企劃副處長陳葦霖認為,低耗能與安全性為兩大重點。要達到低耗能,在active時降低操作電壓,讓系統整體耗電量降低。關於安全性,陳葦霖認為辨別正確溝通對象是重要關鍵,透過多層認證能提升物聯網設備的保護。華邦的Authentication flash搭配四組獨立運作的根鑰(root key),對應所要認證的物件,可分別與主機設備、網際網路閘道器、雲端服務綁定不同的根鑰,設置加密指令,進行challenge與response,經過演算法確認指令的正確性後,便回饋給host端,之後便可進行溝通。亦可以透過指令讓計數器不斷增加,產生動態一次性密碼。

物聯網帶動工業設備對於記憶體的需求。陳葦霖指出,很多節點在運用上是簡單的,像是感測器或是致動器,基本上一個微控制器(MCU)就可以完成大部分的工作,內部執行的程式碼,甚至所有的資料都寫在內部的Flash記憶體即可。雖然現在市場上已推出內建4MB記憶體的高密度MCU,但價格相對也會較高。因此,有些微控制器支援外掛快閃記憶體,尤其是執行邊緣運算時,必須執行比較複雜的程式,或是允許第三方進行二次開發時,就需要採用外掛快閃記憶體的方式。再者是越來越多的圖形、圖像進來時,也需要高效能的CPU,記憶體需求也會越來越大。

在工業控制領域,工業4.0的生產模式對應著各種控制、感測與連線的技術,比起3.0的生產模式需要更多專業知識,不僅是著眼於如何解決工廠端的問題,讓工廠生產更有效率,也達到節能的效果。