‧ 全解析工業 4.0 從起源到未來

Manufacturing Industry 4.0

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近幾年，國際上掀起了新一輪科技革命和產業變革的熱潮，發達國家順應潮流，紛紛拋出刺激實體經濟增長的國家戰略和計畫，希望通過技術進步和產業政策調整重獲在製造業上的競爭優勢。

其中，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年提出的高科技計畫，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)、水準垂直整合/3D列印(3D Printing)以及增進系統智慧化。

工業4.0的九大關鍵技術

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，臺灣政府也推出「生產力4.0」計畫，以協助臺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。

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，有鑒於工業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、軟體分析平臺，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。

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，除購並資訊安全軟體公司邁克菲(McAfee)、平臺軟體供應商溫瑞爾 (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)、淩華(ADLINK)合作，提供完整的物聯網平臺予客戶，期可協助客戶快速建構物聯網應用平臺，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，更須利用閘道器將資料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，閘道器與應用平臺的建置相當重要。

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。臺灣瑞薩電子 (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臺架起工業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。

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)臺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中需要布建許多感測器，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，西門子也因而更加瞭解工業4.0的精隨，因此為提供最完整的解決方案，西門子早已透過購並的方式，將該公司所有產品進行垂直與水準整合。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，西門子也積極與臺灣各界合作，以推升臺灣工業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。

臺灣浩亭(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元件以及被動元件，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，如多樣化開發平臺、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，期可説明客戶選擇完整的元件產品，還可滿足客戶高度客制化需求。

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“如陷五裡迷霧”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。

Industrie 4.0 - The Fourth Industrial Revolution

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」，不但無法真正瞭解工業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。安富利臺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/水準整合的產品，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。