工业物联网全速前进

从半导体产品的领域来看,市调机构IC Insights预测,工业物联网应用芯片2018年市场产值将达41.4亿美元规模,2013∼2018年复合成长率将达36%,高于整体物联网的成长率,与其他物联网应用(图1)相较,规模仅次于智能城市,成长率仅次于穿戴式装置,可说是具体又高速发展的领域。

德国喊出工业4.0(Industry 4.0)后,工业自动化旋即成为各国争相投入的热门领域,美国、韩国、中国大陆也相继提出先进制造伙伴计划(AMP)、制造业创新3.0策略,以及中国制造2025等计划;因应这股发展潮流,行政院近期也开始推动生产力4.0政策,期望结合台湾制造业与资通讯产业优势,促进产业升级转型,提升国际竞争力。除各国政府带头冲刺,促使智慧化工业控制发展加温外,相关关键组件效能的突破亦是不可或缺的重要推动力量。特别是32位微控制器(MCU)性价比不断提高,且省电与实时运算能力大幅精进,更激励工控系统开发商大举采纳,以加速产品由自动化升级至智动化世代。 http://www.2cm.com.tw/images/dot.gif 工业4.0概念下的工厂将具有智慧化、无人化、信息化等特性,须透过工业物联网与大数据分析等基础建设,将外部世界和工厂连结在一起,同时藉由采集、分析各种运作信息提高整体营运效率,才能打造真正的智慧工厂。
2013年德国提出工业4.0的口号,就像平地一声雷,震惊了整个产业,但附和之声也如野火燎原般迅速蔓延,高科技产业从来不缺口号,可以提出让所有人都点头称是的就相对困难了,除了天时地利之外,技术发展与市场需求同时到位似乎才是最关键的因素。包括大数据、物联网等热门的领域,跟工业4.0的智能制造其实都有密切的关系。
工业4.0就是结合工业物联网(Industrial IoT, IIoT)与大数据分析,在各个不同领域的制造现场,透过实时的讯息搜集达成预防故障、降低成本、增加收益与提高产能等目标。厂商期待工业物联网透过大数据所搜集到的信息,经过进一步分析之后,可以成为未来改善企业运作、生产效率,甚至开发新商品最重要的辅助工具。此外,美国提出先进制造伙伴(AMP)政策,中国发表「中国制造2025」,概念同样都锁定在智能制造。
展望智能制造发展趋势,资策会MIC表示,未来单一工厂产能缩减化、供应链管理弹性且透明化、产业聚落分散化、运筹管理重要性增加、品牌厂商议价能力提高,未来制造业的供应链会整合趋向单纯化,服务变成制造业的核心。
智慧制造商机爆发 市场全面看好
根据管理顾问公司Accenture的研究显示,从现在到2030年之间,工业物联网将为全球创造14.2兆美元的价值,进而驱动全球经济成长率。资策会MIC也预估,全球智能工厂市场规模2015年可达179.88亿美元,较2014年166.95亿美元成长7.7%。到2018年,全球智能工厂市场规模可达235.29亿美元,2015年之后,全球智能工厂市场规模年成长率,可达7%∼11%,优于整体产业自动化年成长率。

图1 物联网应用领域产值及市场比重
 
根据Gartner预测,到2020年以前物联网相关半导体营收每年成长率都将近30%,其中,低价半导体组件是物联网最主要推手;而处理器、感测组件及通讯组件等,将成为半导体市场未来成长最为快速的领域,因为这三类组件就是工业物联网架构中的核心。
智能化工业物联网 以信息化为发展基础
工业3.0的重点在于信息化与自动化,德国工业4.0的重点以多年自动化经验与人工智能研究为基础,不再自限于「自动化将全面取代人工」此一思维框架中,改而强调「人机协同」合作,也就是说,在智能制造的流程中,人虽然不再负责提供劳动工作,但仍扮演生产过程的设计决策者,以及流程的管理者。
工业4.0概念下的工厂将具有智慧化、无人化、信息化等特性,这类自动化智能工厂能将外部世界和工厂连结在一起,工厂能快速处理各地需求,如此一来,就能节省大量的中间环节和时间成本。所以工业4.0的发展是有时间进程的,没有工业1.0无法进行工业2.0,当然更不会有工业3.0与4.0。要进行工业4.0,首先要先完成工业3.0的基础工作。
从工业物联网的架构来看(图2),制造前端到伺服控制后端,都由工业以太网络串连,前端的感测与机械手臂将加入更多智能化的功能,经过分层的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC),中间有许多信息搜集、分析与不同程度的实时处理,到最后的伺服控制。
图2 工业物联网IIoT架构
 
亚德诺(ADI)亚太区电源控制行业市场部经理于常涛表示,从功能架构的角度,工业物联网可大致分成四个部分:传感器、机械手臂/PLC、联网通讯与云端运算。其中传感器与机械手臂/PLC、联网通讯都使用大量的半导体组件,发展趋势分述如下:
.传感器
在工业物联网的第一线就是感测组件,因应不同产业、不同的工作需求智能制造促成传感器的大幅成长,包括各式各样的物理感测如定位、角度、震动、压力、流量、温度等,未来还有更多传感器如生物传感器将导入智能制造流程中,根据Gartner的调查,在工业物联网应用的半导体中传感器成长力道最强劲,2015年将大幅成长47.5%。
不过传感器的技术门坎较高,许多采用微机电(MEMS)制程的组件与生物感测组件技术进步速度缓慢,欲导入工业制造验证期动辄数年,加上成本相对较高,部分特殊的传感器目前只应用于高阶制造需求,尚需时间发展。
图3 研华工业自动化事业群台湾区业务处业务经理李景恩表示,在工业物联网的发展趋势下,机器视觉与联网是必备的功能。
.机械手臂/PLC
在工业3.0的自动化时代,机械手臂与PLC就被广泛应用于生产活动,进入工业4.0时代,这些设备的功能需求大幅提升,如机械手臂的生产力、精确度、更多样复杂的动作,与后端控制软件做更好的协同合作等。而PLC部分,也走向高阶控制,系统可扩展性的提升,PLC设计必须从最初仅有电子电路逻辑控制的基本功能,进一步升级时序控制、多单元通讯和模拟控制等进阶应用功能。
长期发展工业计算机投入工业控制已经多年的研华,内部将PLC系统进化为PAC(Programmable Automation Controller)可程序化自动控制器,该公司工业自动化事业群台湾区业务处业务经理李景恩(图3)表示,在工业物联网的发展趋势下,机器视觉与联网是必备的功能,新的PAC系统也较过去更为强调处理速度。
.联网通讯
过去的自动化,许多前端的制造设备是单机运作,智能制造因为加入许多感测功能,所以设备网变成必备的能力,于常涛指出,工业物联网的网络架构以有线解决方案为主,无线网络为辅,因应感测与控制功能的不断成长,带宽也是产业发展趋势之一,目前工业以太网主流还是发展已久的Megabit Ethernet,也已有少部分Gigabit Ethernet的导入,预期2∼3年后Gigabit Ethernet被业者采用的比例会逐步提升。
工业以太网络相关协议主要包括Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Profibus、Powerlink和Sercos III等,多是由欧美日本的大型工业自动化系统厂商如Simens西门子(Siemens)、Beckhoff、施耐德电机(Schneider Electric)、三菱电机、Rockwell等厂商主导。有鉴于不同协议的互操作性将大幅阻碍产业发展,2014年3月由AT&T、Cisco、GEIBM英特尔倡议组成工业网络联盟(Industrial Internet Consortium, IIC),发展或整合相关工业网络标准就是该联盟的主要任务之一。
工业物联网商机大 厂商既竞争又合作
工业网络联盟在短短时间就吸引了数百家厂商加入,今年3月更与开放互连联盟(OIC)结盟共组物联网联盟阵线。未来,双方透过信息共享加快IoT通用标准制定的时程,也简化工业物联网系统的建置过程。透过采用开放互通标准和通用架构,建立一套工业物联网智能系统,将所有的智能型设备、工业机器、人员、流程与数据链路在一起,以此降低未来在工业应用和流程上,所需花费的人力时间和操作复杂度。
事实上,除了传统的机械自动化厂商积极投入之外,信息电子产业的厂商也相当看好此领域的商机,从工业网络联盟的发起厂商就可以一窥端倪,瑞萨电子(Renesas Electronics)营销暨车用事业部策略营销部经理黎柏均指出,智能制造产业发展趋势明确,带动庞大的市场商机,传统自动化分为欧系以Siemens、施耐德电机、ABB等为代表;美系厂商包括Rockwell、奇异电子(GE)、Honeywell等;日系厂商如三菱、奥姆龙(Omron)。过去各自的系统兼容性不高,在工业物联网的时代,兼容、互通是基本需求,也促成产业的合作。
以台湾的发展来看,由于历史因素台湾的产业几乎没有参与工业1.0与工业2.0的发展,一直到信息化的工业3.0才有台湾产业的身影,目前投入智能制造的厂商以研华、台达电、上银、新汉这些厂商为代表,不过从整个智能制造与工业物联网的架构来看,国内厂商规模相对较小,无法像国外厂商建置大型完整的智能制造架构,台湾厂商凭借过去自身的专长如工业计算机、电源控制、机械手臂,发展系统化解决方案,由点、线的方式逐渐扩展到面。
所幸目前智能制造还在发展,台湾厂商相对灵活的规模与解决方案,反而有助于未来在市场上找寻机会与卡位,比如近来层出不穷的食安问题,让民众非常重视食品的生产履历,对台湾智能制造厂商就是一个很好的切入点,部分本地的食品业并没有很大的规模可以支持导入国外大型智能制造系统,台湾厂商可以提供小型的智能制造解决方案,政府相关部门也积极协助此一应用的发展。
就实际的产业推动现况来观察,李景恩表示,以国内一线的电子制造厂来说,由于长期面对国际级的客户,生产规模也大,导入智能制造已有一段时间,现在有需求的反而是二线的制造商,追求降低成本或新建厂时,会积极想要导入智能制造,研华在工业4.0的概念下,提供五个面向的解决方案,包括:工厂环境监控、MES整合及生产履历、省力化/自动化、机台监诊与预防保养、设备监诊及效益优化。
李景恩进一步说明,研华解决方案包括生产数据撷取、生产异常维护、设备全局管理、生产过程追溯,产线仓储物流,厂务设施监控,生产能耗分析等系统,内容涵盖MES、AGV、OEE、WMS、AODON、Recipe Management、广告牌管理、生产设备管理、网络设备管理、ATE检测、环境监控、设备远程云服务等十二个基于CPS的生产过程控制与信息系统。 智慧制造商机可期,工业物联网在发展的过程中也还有许多未知的商机会出现,现阶段要如何快速建立产业秩序便是最大的挑战,同时这个过程也是最充满机会的地方,MIC建议台湾业者可凭借机械手臂、机器视觉、运动控制等现有优势,进一步与物联网系统结合,找出可发挥的空间,找回过去几年稍稍流失的第一波智慧化商机,让信息王国顺利转型智能岛。  

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