cookieOptions = {...}; .工業物聯網進入快速發展期 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

3S MARKET

2019年10月30日 星期三

The Future of Industrial IoT



來源RFID世界网\物联网世界 作者:EET电子工程专辑

全球工業物聯網(Industrial IoTIIoT)發展源自德國工業4.0(Industry 4.0)的影響,在經過一番摸索與墾荒期之後,將工業領域「物聯網化」的成果,已逐漸顯現。

各個市場調研機構,對工業物聯網的發展,皆做出正面積極的預測,並認為工業物聯網在 2018 年,將進入快速發展的階段。
根據 Markets and Markets 最新市場研究報告《2023 年全球工業物聯網市場預測:設備與技術(感測器、RFID、工業機器人、DCS、狀態監測、智慧電表、攝影機系統、網路技術)、軟體(PLM、MES、SCADA)、垂直市場和地理區(IIoT Market by Device&Technology (Sensor、RFID、 Industrial Robotics、 DCS、 Condition Monitoring、 Smart Meter、 Camera System、 Networking Technology), Software (PLM、 MES、 SCADA), Vertical and Geography - Global Forecast to 2023)》,2018 年全球工業物聯網市場規模約 640 億美元,預計將在 2023 年成長至 914 億美元,2018~2023 年的五年間複合年成長率(CAGR)為 7.39%

該機構指出,工業物聯網市場的成長,受益於諸多因素的帶動,例如越來越多中小企業,採用自動化系統。此外,自動化降低了生產成本,從而減少了開銷,並提高整個過程的投資報酬率(ROI)。

工业物联网进入快速发展期
  12015~2020 全球工業機器人成長及預估。來源:IFR
  
GSM 協會(GSMA),今年 6 月發佈的《大中華區工業物聯網發展(The Industrial IoT in Greater China)》研究報告也指出,透過訪問台灣及中國主要電信企業,得出的結論為,大中華地區將引領工業物聯網市場的發展,預計到 2025 年,全球工業物聯網連接數將達到 138 億,其中大中華地區的連接數約為 41 億,約佔全球市場的三分之一。

分析工業物聯網快速發展的原因,主要推動力包括 5G 及其他連網技術、人工智慧(AI)與大數據分析、智慧機器人…等軟硬體技術的加持,以及相關企業開始,進一步順利將上述技術與工業環境整合,使得工業物聯網得以實現行動生產線、工廠安全再升級、自動化檢驗領域再擴大…等,進一步提高投資報酬率,吸引更多廠商包括中小企業的參與。

連網標準可望出現
工業 4.0 概念在相關企業的努力下,大方向開始逐步明朗,其中在廠區內部署連接製造機器、機械手臂…等工廠重要組成要素的連網技術,則是落實工業物聯網的關鍵。

西門子(Siemens)產品經理朱軒逸表示,全球對於工業物聯網的討論已經開始,若是沒法將工廠網路建設起來,工業物聯網後續帶來的收集、分析數據,以及進一步根據分析後的,數據調整生產線運作方式,或是預知設備是否即將出問題等優勢,加上人工智慧等協助,提高生產線生產效能的技術,都無法被整合到生產環境,發揮其效用,因此連網技術對於工業物聯網而言,可謂關鍵元素。

若是無法做到這一點,將現有或新購置的生產工具連接起來,工業物聯網將只會淪為口號。

凌華科技(ADLINK)次世代機器人解決方案架構師陳家榜也認為,通信技術可說是實踐工業物聯網很重的一環,即使人工智慧可以不連網,但未連上網路無法取得數據、無法作分析決策,也無法持續學習強化,這樣的人工智慧對於企業來說,帶來的效益很有限。

不過,企業在工廠導入通信技術時,將遭遇工廠的生產器具、機台新舊不一,其內部內建的通信協議也各不相同,生產機台彼此間如何進一步互通,以及如何整合所有的數據並進一步使用的難題。若這些難題無法進一步解決,工業物聯網將只是空談。

不僅如此,工業物聯網也推動,透過在終端生產設備上安裝感測器,以得知機器即時運轉狀況,以便監測或預測機器何時將發生損壞,避免停工的可能。

這些感測器蒐集到的資訊,都需要透過連網技術,才能讓控制中心或是工廠工作人員得知,因此如何串聯數量如此龐大的感測器,也令廠商相當頭痛。

有鑒於此,耕耘工業物聯網相關的廠商,開始進行合縱連橫,推展工業物聯網相關通信標準規範,以期可協助導入工業物聯網的廠商,能有最易用、簡單部署、低成本且通用的技術。

OPC UA/TSN 協助機台互通與資料分析
現階段,許多廠商對於工業 4.0,或是工業物聯網,仍有些似懂非懂,抑或者只知其一不知其二,例如只瞭解要收集工廠的資訊,卻不知從何做起。

再加上,工業物聯網中有很大的一部分,是生產設備間的通信,但做這一段通信技術及產品的相關企業不多,且產品也需要具備開放性、內置程序與價格都需親民,才能使持續觀望的廠商著手導入,工業物聯網的市場才能逐步再擴大。

朱軒逸認為,目前市面上的工業物聯網,針對設備互連的產品,無法受到自動化企業青睞的原因之一,是產品種類不多、部署相對複雜,且市場接受度不高。

事實上,「上雲端」不等於實現工業物聯網或是工業4.0,更何況「真正」第一線的使用者,也就是底層工作人員,並不瞭解工業物聯網這個概念帶來的好處,因此工業物聯網發展,呈現緩步上揚趨勢,而不是如消費性電子領域,有突然的爆炸性成長。

為提高市場對工業物聯網接受度,以及發現開放原始碼(open source),可讓更多廠商參與,並促使產業發展更加快速,更易形成統一標準規範,因此西門子與全球 1,500 多家工控企業,成立台灣工業網路協會(TICA),推廣 OPC 統一架構(OPC UA)與時間敏感型網路(TSN),預計明年底制訂統一標準規範,並推出整合支持所有廠牌的單晶片產品。

據瞭解,OPC UA 是針對工廠自動化設備間的互通標準,亦即非循環數據的垂直通信和控制器-控制器通信TSN 則是用於大數據分析。

朱軒逸解釋,透過涵蓋全球 1,500 家工控企業產品及標準,開放性的 OPC UA+TSN 優勢,在於可讓工業物聯網設備,更便宜、產品開發更簡單,也不須很長的學習時間,即可將產品設定完畢,並開始使用,還能無縫連接不同廠商的工業物聯網設備。更重要的是兼具防毒與安全性,也就是說,操作員不會直接涉入機器對機器(M2M)間的通信,降低駭客入侵的機會。

未來 10 年,TICA 將全力推廣 OPC UA+TSN 技術架構,明年不僅將頒布標準規範,也會推出第一款晶片產品。協助要進入工業物聯網的企業,順利實現工業物聯網架構,享受工業物聯網的優勢,而相關產品開發商,也能快速研發符合市場需求的產品,拓展工業物聯網市場規模。

IO-Link 串連感測器大軍
除了 OPC UA+TSN 架構外,意法半導體(STMicroelectronics)也與歐洲、美國、日本…等地的企業,共同推廣針對感測器連接的 IO-Link 標準。

意法半導體亞太區行銷和應用資深總監 Francesco Muggeri 表示,意法半導體長期耕耘馬達控制領域,在工業物聯網時代,將感測器安裝到工廠設備內的馬達,並加入通信技術連成一氣,使感測器的數據,可向上層管理系統傳送,是最重要的關鍵。

因此意法半導體以「工業智慧感測」為出發點,以及響應市場希望有統一化的硬體與軟體,與歐美日等國的工業物聯網關鍵企業,包括感測器供應商、西門子…等共同成立 IO-Link 協會,並制訂 IO-Link 軟硬體通信協議。

意法半導體亞太區行銷和應用總監 David Lucchitti 說,IO-Link 標準,是專註解決工業物聯網架構,最底層也是最末端感測器到控制器的連接,可讓感測器傳輸更多的資訊到控制器,並進同時消除模擬資訊易失真,無法進一步處理分析的問題。

分析 IO-Link 優勢,意法半導體技術行銷項目經理林進裕指出,IO-Link 為數位化的技術標準,可以改善現有模擬資訊無法分析的缺點。

而此專注於感測器連接的統一標準技術,可使不同廠商但支持  IO-Link 的 感測器與主控制器,可以彼此互通,將工業物聯網優勢,滲透到更末端的工業設備中。

值得注意的是,IO-Link 硬體向下相容亞洲 Low side 和歐洲 High side MOSFET 連接電源的架構,林進裕認為,這個特性可以讓舊有的工廠機器設備以「最少的變化」,智慧化現有的感測器與可程序邏輯控制器(PLC)架構,同時也不需要花費太多成本。

工業乙太網路仍擔綱要職
上述提到的通信技術標準中,OPC UA+TSN 是基於在工業市場長久發展的工業乙太網路標準,主要競爭對手是 Ethernet CAT。事實上,可以發現,不論是哪種類型的工業乙太網路,都有各自的支持者,未來在工業物聯網中,仍將位居要角。

致茂電子(Chroma)智慧製造系統事業部行銷處處長吳樞俊表示,半導體工藝可以說是最早在產線中進行自動化的產業,併發展出一套 SECS 通信協議,一般工廠早期則是採用 PLC 通信架構標準,然而若是要將半導體產業採用的 SECS 通信協議應用到一般工廠作為自動化通信標準,將大幅拉高部署成本。

另一方面,SECS 嚴謹度非常高,一般工廠不需如此高標準,再加上相關人才不足,因此吳樞俊建議,採用乙太網路為基礎的 OPC+Web Service 架構各自對應現有複雜 PLC 與個人計算機為基礎的機台。

不僅成本相對低許多,也足夠滿足一般製造工廠的需求,更何況相關人才眾多,系統有問題時可以隨時找到相關人員,進行調整、除錯,因此企業導入此架構,將可獲得較多優勢,也能提升導入工廠自動化或工業物聯網的意願。

無線與有線通信因地制宜
除工業乙太網路長時間佔據工業自動化,與新興的工業物聯網領域外,無線通信技術亦試圖以在消費性電子的成功經驗,進軍工業物聯網市場。

朱軒逸認為,無線技術包括藍牙、WiFi、NB-IoT、5G…等都有進入工業領域的動作,但工業市場需要相當穩定、安全的通信技術,不僅如此,工業物聯網中,機器間的通信或是控制中心取得數據的速度,要求要極快、不能延遲,這目前 4G 或是正在發展的 5G,或 WiFi 都還做不到,因此工廠現場生產設備間的連接,還是會以乙太網路相關的有線通信技術為主,收集的資訊要往雲端傳送時,才會使用無線通信技術。

雖然大多企業認為,工業乙太網路仍是王道,不過 5G 通信技術的特性,仍使其有機會應用在工業物聯網範疇中。陳家榜指出,5G 技術特性包括非常低的延遲、高速/高頻,以及支持大量感測器或物的連結,正好可各自對應到工業領域不同的應用。

此外,3GPP 也針對 5G 技術,在工業物聯網應用設計新標準。陳家榜認為,乙太網路的確相當可靠、穩定,因此短期內不會消失,但導入無線技術可節省有線技術線材及部署成本,舉例來說,若是一台機械手臂用就須使用一條乙太網路纜線,一座工廠中將需要非常多的線材,所需花費的成本可能相當驚人且部署也會相當複雜。

不過陳家榜也坦承,工廠環境要真正全面無線化,可能要等到5G 的下幾代技術出現後才可能發生,目前機械手臂的實時控制,還是大多仰賴工業乙太網路。

另一方面,ADI 則是提出 SmartMesh IP 網路架構。該公司產業市場資深經理陸磊表示,SmartMesh IP 亦即 Dust Network,基於 802.15.4 標準。這個網路最大的特點是在 2.4GHz ISM 頻段上實現達到 99.999% 的高可靠性 Mesh 網路,並且功耗極低。

同時,Smart Mesh 還是一個時間同步網路,可以做到各個節點的時間精確同步,便於很多需要同步的場合,再由於該網路技術的高可靠性,使其適合於對網路傳輸可靠性要求很高,且希望免維護使用的工業應用環境。

林進裕強調,將一切無線化是大家共同追求的目標,但這個願景可能不太適用於工廠內部,因為工廠環境對於新技術的採用相對保守,勢必是沿革以往使用的技術為主,新建的廠房才有較大機會採用新技術,如無線通信。

這是由於,對於現有的舊廠房來說,要全面無線化,需要投入較多成本改變現有的通信架構,且無線技術仍存在風險。

若以感測器的連接為例,感測器收集的數據量不大,利用無線技術的成本不但較高,也是「殺雞焉用牛刀」的做法,因此工業物聯網的應用中,各有其適用的有線或無線通信技術。

若是需要較長的傳輸距離,則 Sub-1GHz 或其他無線技術,會比以乙網路合適而 NB-IoT 雖然也瞄準智慧感測器應用,但該技術應用在智慧城市,會比在產在線的感測器,來得更有價值與效能。

Muggeri 進一步強調,統一的工業物聯網標準確實有助於市場開展,目前也可觀察到工業物聯網應用標準化,正在持續進行,但單一標準要涵蓋整個工業物聯網架構,是不太可能的,因此未來還是會看到,有不同有線及無線技術,被適當的使用在各類工業物聯網應用中。

工業機器人添智慧
工業物聯網市場有五個主要應用領域:工廠自動化、工業機器人、流程控制、電機控制和感測器。因此可以發現在台北國際自動化工業大展中,參展的機械手臂廠商獲得的關注度,有升溫的趨勢。


工业物联网进入快速发展期
  2:管理為數眾多的工業機器人,並讓產線流暢的運作,管理系統將扮演重要角色

達明機器人(Techman Robot)營運長(COO)黃識忠表示,雖然工業機器人是工業物聯網應用的一部分,且也是發展多年的技術,但在工業物聯網的應用中,工業機器人必須進一步智慧化,才能直接收集機器人本身工作狀況,及產線的資訊,如此才能滿足工業物聯網的應用需求。

如何智慧化工業機器人黃識忠指出,工業機器人智慧化很重要的部分是「視覺」,使其可進行自動光學檢查(AOI)或是 QR Code 辨識,降低人眼辨識的錯誤率,並提高產能。

另外,現階段工業物聯網對於工業機器人的新要求,是加上感測器,以便能夠做到即時數據收集,供人工智慧、深度學習等功能可進一步運作,這是與傳統工業機器人另一最大的不同。

另外,感測器也需要監測更多工業機器人的各項參數,包括溫度、扭力狀態…等,不只如此,為了讓工業機器人更具彈性,易於應付不同的生產需求,模組化設計亦是大勢所趨。

黃識忠強調,這些工業機器人的新功能,過去只能透過外掛的方式,加在傳統工業機器人上,但由哪個部分的企業來主導、安裝這些外加的部分,甚至後續維修管理,常常會出現不知道該尋求哪家廠商協助的狀況。

因此達明機器人將工業機器人視為完整的系統,盡可能整合工業機器人周邊所需的零件、功能,以及其他工業應用系統,不僅提供市場高度整合、簡單易用的工業機器人硬體,也有相關軟體管理平台,讓導入智慧化工業機器人的廠商,可視其工廠自動化的程度,彈性調整。黃識忠強調,如此一來,工業機器人的推廣才可更加快速,並進而改變既有市場生態。

Universal Robots 總裁 Jürgen Hollen 表示,目前真正開始將產線自動化的企業大多是口袋較深的大公司,因此透過漸進式,逐步改動生產線的過程,以及中小企業也負擔得起的協作型機器人,財力有限中小企業,也將能實現產線自動化。

此外,有鑒於傳統的工業機器人使用上較為困難,得配合工業機器人改變生產或工作型態,但工業機器人應該是易於編程,使用的一種生產工具,而非操控現場工作人員的角色。

Hollen 認為,拿掉傳統工業機器人的複雜性、增加人工智慧與模組化彈性,可以安全地與人類協作,並將控制權力交給第一線最瞭解產線流程,與需求的工作人員的工業機器人,才能符合工業物聯網自動化應用真諦。

然而在工廠中導入大量工業機器人時,如何讓這些機器人與手臂可互通和管理,將是企業在產線或工廠管理上重要的關卡。陳家榜表示,工業機器人並非設計用來完全取代人類,而是執行一些較為繁瑣、人力做不到或沒有價值的工作,但要連接並管理數量越來越多的工業機器人,則須仰賴強大的工業電腦與中間件作為管理中心,才能讓整個生產系統順利運作。

人工智慧發力
工業物聯網應用中,將生產機器透過感測器收集資訊,連網技術傳送數據,在邊緣或雲端分析運算,這一段過程都是為了得到的結果再回傳到機器執行。但要讓數據分析更精準、所下的指令更精確,人工智慧強大的算法,將是相當必要的技術。

Muggeri 指出,人工智慧在工業物聯網應用方面,正扮演著驅動者的重要角色,將來也會成為工業物聯網市場上,任何系統級應用的必備模組。陳家榜則表示,工業物聯網結合人工智慧後所帶來的效益,將不可同日而語,因此目前有許多工業物聯網相關廠商,皆已開始在其系統中導入人工智慧。

其中,人工智慧在產線中,最能發光發熱的爆炸性應用是 AOI。陳家榜說明,傳統 AOI 系統是利用顏色、形狀判斷產品是否有瑕疵,精確度容易受到環境光線的影響而加入人工智慧、深度學習的 AOI 系統,是利用大量影像、聲音等構成的大數據進行分析,產品瑕疵的辨識度自然可提高。

吳樞俊總結人工智慧,在工業物聯網應用中所帶來的優勢,他認為,為了進一步執行分析、下指令、建模…等工作,協助生產線更快,更準確地找到生產過程的問題與答案,人工智慧是必然非得加到工廠產線的技術。

生產流程智慧化節省部署自動化成本
有鑒於產線中若是全程通過人腦下指令,錯誤率可能會比用計算機高,再加上產線全面自動化或是智慧化的部署,成本高得嚇人,對中小企業來說是相當大的負擔,且短時間之內不易達成。因此致茂電子認為,若是從生產流程的智慧化開始改變,對中小企業而言也是一條不錯的途徑。

吳樞俊解釋,透過將產業智慧化,並以軟件管理在既有產線進行生產過程控制、產品測試、收集相關數據…等生產過程的細節,且實踐過程行為,再由電腦分析並下精準的指令,這也是實踐自動化的一種簡單方式。

也就是說,利用工業物聯網連網技術,連接電腦與生產機器,從生產流程上去改變,第一線作業員從電腦端取得工作命令並執行,操作員也不會有輸入指令等行為,除非產線發生無法控制的問題時,才需人為介入。

這樣的方式也是一種產線的智慧化,更值得注意的是,這樣的產線智慧系統精確度高、操作員與生產機器行為易掌握、不容易犯錯,對部署成本有所考慮的企業,可由部署此種智慧製造系統著手。

吳樞俊並認為,現階段消費者購買需求,已逐漸改變既有的製造現況,也引領工業物聯網自動化生產的需求。從以前大量製造轉為少量多樣的生產模式時,要短時間由人工快速備料、製造、搬運、安排物流送貨,會衍生許多問題,甚至會導致無法接到訂單的窘境。

因此在產線透過連接技術整合硬體與軟體,利用機器快速做到或是執行搬運的工作,操作員從旁協助,企業也無需急於添購新設備,將現有產線全部自動化,即可解決上述問題。

事實上,特斯拉 CEO Elon Musk 前陣子曾坦言,無工廠全面自動化仍然不是目前最好的選擇,且沒有那麼易於實現。因為電腦與生產設備,仍沒有人類那麼聰明,要改動設備的某一個行為,還是需要花費人力去修改,因此最貼近現實的一種方式,仍是在發現系統異常時,由人類反饋並處理,而不是完全在生產現場排除操作員。

未來展望
Muggeri 援引 Datafloq 的數據表示,工業物聯網的發展將遭遇來自技術、企業及社會三個層面的挑戰。

例如技術面則是如何解決安全、通信連接、相容性、使用壽命或合規問題企業層面為如何讓企業看到,工業物聯網帶來的實質利潤,進而啓動工業物聯網相關建設的計劃而社會層面則是如何推廣最佳的工業物聯網營運方式,特別是與使用者隱私保護相關的方法,從而贏得客戶信任,是工業物聯網業者面臨的最大挑戰之一。

所幸上述問題在各家關鍵企業的努力下,已有初步成果展現,未來工業物聯網的發展又會如何

從工業物聯網自動化應用所需的工業機器人來看,黃識忠認為,在工業機器人中集結更多智慧化要素,並開始讓工業機器人可移動,協助搬運工作,是未來智慧化工業機器人發展的目標。

從整體工業物聯網將經歷營運效率提升、合理化經營管理和運營維護三個發展階段來看,Muggeri 指出,目前,相關企業皆普遍承認,工業物聯網的發展仍處於第一階段,尚在大規模部署中,未來幾年還有更大規模的佈局。

包括技術不斷更迭的感測、增強現實(AR)和人工智慧技術,再結合即將到來的 5G 通信技術,將會讓遠端控制和數據處理變為可能,為工業製造企業帶來成功機會。

也就是說,在單一廠房內部實現工業物聯網之後,未來將進一步連接分散在各地的工廠。陳家榜說明,為了更便於管理、提升生產設備間優化的使用效率,「廠廠相連」可以說是非做不可的任務。而這也將促使生產設備需更加智慧化、更具自主性。未來內置人工智慧的生產設備,可以無需透過雲端或是電腦進行運算,即可自行對話,決策、彈性改變生產策略。

朱軒逸則認為,無論現階段產業中,所談論的工業物聯網應用中,可追尋的新商機有多龐大,但是在追求這些新商機的同時,應回歸最基本面的數位化發展,才能逐步去思索並落實,未來工業物聯網的眾多新應用,並從中找到盈利點。

0 意見: