Industry 4.0 - An illustrated guide to Smart Manufacturing
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來源：ctimes 作者：安富利
現在，以工業 4.0 為代表的智慧製造，正改變著未來製造業的形態。在這新的製造體系中，數據是靈魂性的要素，位於核心地位。不過這並不意味著，硬體在工業 4.0 中會被邊緣化，畢竟數據還是需要透過硬體作為載體，進而在現實世界中，呈現其價值。
因此，智慧製造中「數據」的崛起，也會給硬體帶來了不少的商機。接下來，從工業 4.0「數據流」的走向，可以更瞭解發掘出各個環節潛藏的硬體「錢途」。
感測器
在工業控制系統中，感測器是數據採集端，它們負責將工業現場的大量非電量的物化參數，轉化成電信號，再由系統從中解讀出關鍵的數據訊息，作為控制決策的依據。
另一個值得關注的部份，還有機器視覺核心部件的 CMOS 圖像傳感器市場。根據 IC Insights 預測，全球工業用 CMOS 圖像感測器市場，將從 2015 年的 3.96 億美元，成長到 2020 年的 9.12 億美元。
此外，多目 3D 視覺在工業場景中的應用，可借助圖像感測器收集的圖像數據，也會更加豐富，作用也會更為顯著。圖像感測器也將成為工業感測器市場中，不容小視的一塊「大餅」。
此外，多目 3D 視覺在工業場景中的應用，可借助圖像感測器收集的圖像數據，也會更加豐富，作用也會更為顯著。圖像感測器也將成為工業感測器市場中，不容小視的一塊「大餅」。
互連（也就是網路）
智慧製造系統生成的數據，需要經由一個快速、穩定的網路進行傳輸和共享。
德國的《工業 4.0 研發白皮書》中，將無線技術視為工業 4.0 網路通訊技術研究的重點項目。無線互連技術與傳統的有線工業通訊相比，優勢顯著：
二、提高生產線設備配置的靈活性，且更符合智能製造「大規模客製化」願景所需的「柔性」要求；
三、可適應多樣性的組網應用場景需求，Mesh、星型等多種網絡的佈署需求。
因此，不論是工業領域原有的無線協議—如 WIA-PA、Wireless HART 和 ISA，還是通用的無線協議—如 WiFi、Zigbee、NFC、Bluetooth、2G/3G/4G網路通訊，都正影響、滲入工業領域。
如何將 NB-IoT 等新興的 LPWAN 無線通信技術，融合到工業應用中，也已被列入一些公司的考慮重點中。5G 也在工業 4.0 的範疇，將實現公共 5G 網路基礎設施的設計與標準，為工業提供廣域網服務。
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| Internet of Things network technologies: LPWAN wireless IoT guide |
不過，工業應用對無線通信有更特殊的要求，特別是在可靠性和低延時等方面。因此，一些通用的無線技術短期內，還是會用於設備和產品訊息的採集、內部訊息交互等，非即時控制的場景，未來它們會與即時工業控制網路，形成複合的通訊系統，為數據架設高效可靠的管道。
無線互連與感測技術也在走向融合，具有無線數據通訊功能的無線感測器，也會成為一個新的市場成長點。無線感測器網路，可以擺脫傳統感測器總線的束縛，讓數據匯聚的方式更為靈活，成本也更低。在此基礎上，感測器產品還可加迭其他如能量採集等技術，形成更加多元化的產品，擴展應用版圖。
圖一 : 目前，無線互連與感測技術也在走向融合，具有無線數據通信功能的無線感測器也會成為一個新的市場成長點(Source：Parker Blog)
無線互連的藍圖固然讓人興奮，但是在工業領域有線連接這樣的「老司機」同樣不可或缺，特別是對於需要大頻寬、高可靠、快速反應的工業數據通訊應用。
因此，也催生了高性能、高可靠的工業連接器需求。面對此高附加值的市場，連接器廠商也正不遺餘力地耕耘，例如現今的 M8/M12 連接器已可支持高達 1Gbps 的網速。
因此，也催生了高性能、高可靠的工業連接器需求。面對此高附加值的市場，連接器廠商也正不遺餘力地耕耘，例如現今的 M8/M12 連接器已可支持高達 1Gbps 的網速。
資料決策
將資料匯集到雲端進行分析和處理，並與既有的數據庫進行分析並提供決策建議，是工業 4.0 的核心關鍵。這會牽動工業應用對數據中心的需求，不論是使用公有雲，還是構建私有雲，數據中心總量的增加是必然趨勢，預計到 2019 年全球數據中心，基礎設備的市場規模將達到 440 億美元。
未來面對日益繁重的數據處理任務，需要更強大的處理器做支撐，新型的異構式的處理器架構正在登上舞台，以解決多核通用處理器遇到的運算瓶頸。開發者們正在考慮 CPU+GPU 的模式，發揮 GPU 在浮點運算等能力的最大極限。
同時，FPGA 這種程序設計邏輯架構也備受矚目，FPGA 與通用的處理器整合後，有望成為未來數據中心伺服器的主流架構。伺服器處理器市場霸主 Intel 對全球第二大 FPGA 廠商 Altera 的收購，正印證了該趨勢。後續，高通也宣佈與全球第一大 FPGA 廠商 Xilinx，以及 Mellanox 結成同盟，與 Intel 形成市場對峙。
值得注意的是，伴隨著數據中心運算能力的飆升，其功耗也越來越可觀，根據 2015 年的統計資料，全球數據中心總量已超過300萬座，其耗電量已佔全球耗電總量的 1.1%-1.5%。從單一數據中心營運成本分析，電費支出達 70%，已遠超過硬體基礎設備的成本，數據中心的節能需求極大。
因此，數據中心的電源架構也正在改變，比如透過中央變壓器，將交流電直接轉為 380V 的高壓直流，並透過高壓直流總線分配到各個用電單元，簡化結構也提升效率。
圖二 : 不論是使用公有雲，還是構建私有雲，數據中心總量的增加是必然趨勢，預計到2019年全球數據中心基礎設施的市場規模將達到440億美元。(Source：Blitzfang Medien)
執行
數據在雲端分析處理後，形成的建議決策，將回傳給執行端，進而造成機械動作，形成一個「從端到雲，從雲到端」的完整控制循環。
製造業中的機械動作都是由電機驅動的，因此精密的電機控制將成為催生工業 4.0 的市場增長點，從硬體的角度來看，這也會為 MCU、DSP、FPGA 等核心數位控制晶片提供施展拳腳的機會。
製造業中的機械動作都是由電機驅動的，因此精密的電機控制將成為催生工業 4.0 的市場增長點，從硬體的角度來看，這也會為 MCU、DSP、FPGA 等核心數位控制晶片提供施展拳腳的機會。
圖三 : 2010年後，中國工業機器人市場進入快速上升通道
工業機器人是工業 4.0 體系中重要的「存在」，它是一個更加智慧、綜合的執行設備。
2015 年全球工業機器人銷量為 24 萬台，過去五年中的年成長率為 15%。中國市場，被認為是下一個工業機器人將呈現大幅成長的地區，而以中國市場為例，其在 2010 年至 2015 年工業機器人市場的年成長率達到了 35%，總量為 6.6 萬台，若以此速度發展，預計到了 2020 年中國將佔到全球工業機器人市場的 40%。
2015 年全球工業機器人銷量為 24 萬台，過去五年中的年成長率為 15%。中國市場，被認為是下一個工業機器人將呈現大幅成長的地區，而以中國市場為例，其在 2010 年至 2015 年工業機器人市場的年成長率達到了 35%，總量為 6.6 萬台，若以此速度發展，預計到了 2020 年中國將佔到全球工業機器人市場的 40%。
在市場拉動下，工業機器人所需的幾個核心部件—伺服系統、減速器、控制器—也將同步成長。
特別是工業機器人控制器市場，業界逐漸認識到以往由機器人廠家自主設計研發的封閉的體系，已不能適應快速發展的市場需求，標準化和開放性正在成為趨勢，市場上已有一些獨立的機器人控制器廠商開始活躍，未來他們是否能夠借市場之力，改變工業機器人的生態，確實值得拭目以待。
特別是工業機器人控制器市場，業界逐漸認識到以往由機器人廠家自主設計研發的封閉的體系，已不能適應快速發展的市場需求，標準化和開放性正在成為趨勢，市場上已有一些獨立的機器人控制器廠商開始活躍，未來他們是否能夠借市場之力，改變工業機器人的生態，確實值得拭目以待。
總之，數據驅動的工業 4.0 變革，給製造業帶來的不是簡單的線性產品迭代，而是伴生著新架構、新品類、新模式。現在我們僅僅是窺見其一斑，更多的硬體機會還需要應對市場的發展，不斷去發掘。249170818
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