德國喊出工業4.0(Industry 4.0)後，工業自動化旋即成為各國爭相投入的熱門領域，美國、韓國、中國大陸也相繼提出先進製造夥伴計畫(AMP)、製造業創新3.0策略，以及中國製造2025等計畫；因應這股發展潮流，行政院近期也開始推動生產力4.0政策，期望結合台灣製造業與資通訊產業優勢，促進產業升級轉型，提升國際競爭力。除各國政府帶頭衝刺，促使智慧化工業控制發展加溫外，相關關鍵元件效能的突破亦是不可或缺的重要推動力量。特別是32位元微控制器(MCU)性價比不斷提高，且省電與即時運算能力大幅精進，更激勵工控系統開發商大舉採納，以加速產品由自動化升級至智動化世代。
工業4.0概念下的工廠將具有智慧化、無人化、資訊化等特性，須透過工業物聯網與大數據分析等基礎建設，將外部世界和工廠連結在一起，同時藉由採集、分析各種運作資訊提高整體營運效率，才能打造真正的智慧工廠。
2013年德國提出工業4.0的口號，就像平地一聲雷，震驚了整個產業，但附和之聲也如野火燎原般迅速蔓延，高科技產業從來不缺口號，可以提出讓所有人都點頭稱是的就相對困難了，除了天時地利之外，技術發展與市場需求同時到位似乎才是最關鍵的因素。包括大數據、物聯網等熱門的領域，跟工業4.0的智慧製造其實都有密切的關係。
工業4.0就是結合工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)與大數據分析，在各個不同領域的製造現場，透過即時的訊息蒐集達成預防故障、降低成本、增加收益與提高產能等目標。廠商期待工業物聯網透過大數據所蒐集到的資訊，經過進一步分析之後，可以成為未來改善企業運作、生產效率，甚至開發新商品最重要的輔助工具。此外，美國提出先進製造夥伴(AMP)政策，中國發表「中國製造2025」，概念同樣都鎖定在智慧製造。
展望智慧製造發展趨勢，資策會MIC表示，未來單一工廠產能縮減化、供應鏈管理彈性且透明化、產業聚落分散化、運籌管理重要性增加、品牌廠商議價能力提高，未來製造業的供應鏈會整合趨向單純化，服務變成製造業的核心。
智慧製造商機爆發 市場全面看好
根據管理顧問公司Accenture的研究顯示，從現在到2030年之間，工業物聯網將為全球創造14.2兆美元的價值，進而驅動全球經濟成長率。資策會MIC也預估，全球智慧工廠市場規模2015年可達179.88億美元，較2014年166.95億美元成長7.7%。到2018年，全球智慧工廠市場規模可達235.29億美元，2015年之後，全球智慧工廠市場規模年成長率，可達7%∼11%，優於整體產業自動化年成長率。
再進一步從半導體產品的領域來看，市調機構IC Insights預測，工業物聯網應用晶片2018年市場產值將達41.4億美元規模，2013∼2018年複合成長率將達36%，高於整體物聯網的成長率，與其他物聯網應用(圖1)相較，規模僅次於智慧城市，成長率僅次於穿戴式裝置，可說是具體又高速發展的領域。
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| 圖1 物聯網應用領域產值及市場比重 |
根據Gartner預測，到2020年以前物聯網相關半導體營收每年成長率都將近30%，其中，低價半導體元件是物聯網最主要推手；而處理器、感測元件及通訊元件等，將成為半導體市場未來成長最為快速的領域，因為這三類元件就是工業物聯網架構中的核心。
智慧化工業物聯網 以資訊化為發展基礎
工業3.0的重點在於資訊化與自動化，德國工業4.0的重點以多年自動化經驗與人工智慧研究為基礎，不再自限於「自動化將全面取代人工」此一思維框架中，改而強調「人機協同」合作，也就是說，在智慧製造的流程中，人雖然不再負責提供勞動工作，但仍扮演生產過程的設計決策者，以及流程的管理者。
工業4.0概念下的工廠將具有智慧化、無人化、資訊化等特性，這類自動化智慧工廠能將外部世界和工廠連結在一起，工廠能快速處理各地需求，如此一來，就能節省大量的中間環節和時間成本。所以工業4.0的發展是有時間進程的，沒有工業1.0無法進行工業2.0，當然更不會有工業3.0與4.0。要進行工業4.0，首先要先完成工業3.0的基礎工作。
從工業物聯網的架構來看(圖2)，製造前端到伺服控制後端，都由工業乙太網路串連，前端的感測與機械手臂將加入更多智慧化的功能，經過分層的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，中間有許多資訊蒐集、分析與不同程度的即時處理，到最後的伺服控制。
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| 圖2 工業物聯網IIoT架構 |
亞德諾(ADI)亞太區電源控制行業市場部經理于常濤表示，從功能架構的角度，工業物聯網可大致分成四個部分：感測器、機械手臂/PLC、聯網通訊與雲端運算。其中感測器與機械手臂/PLC、聯網通訊都使用大量的半導體元件，發展趨勢分述如下：
在工業物聯網的第一線就是感測元件，因應不同產業、不同的工作需求智慧製造促成感測器的大幅成長，包括各式各樣的物理感測如定位、角度、震動、壓力、流量、溫度等，未來還有更多感測器如生物感測器將導入智慧製造流程中，根據Gartner的調查，在工業物聯網應用的半導體中感測器成長力道最強勁，2015年將大幅成長47.5%。
不過感測器的技術門檻較高，許多採用微機電(MEMS)製程的元件與生物感測元件技術進步速度緩慢，欲導入工業製造驗證期動輒數年，加上成本相對較高，部分特殊的感測器目前只應用於高階製造需求，尚需時間發展。
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| 圖3 研華工業自動化事業群台灣區業務處業務經理李景恩表示，在工業物聯網的發展趨勢下，機器視覺與聯網是必備的功能。 |
在工業3.0的自動化時代，機械手臂與PLC就被廣泛應用於生產活動，進入工業4.0時代，這些設備的功能需求大幅提升，如機械手臂的生產力、精確度、更多樣複雜的動作，與後端控制軟體做更好的協同合作等。而PLC部分，也走向高階控制，系統可擴展性的提升，PLC設計必須從最初僅有電子電路邏輯控制的基本功能，進一步升級時序控制、多單元通訊和類比控制等進階應用功能。
長期發展工業電腦投入工業控制已經多年的研華，內部將PLC系統進化為PAC(Programmable Automation Controller)可程式化自動控制器，該公司工業自動化事業群台灣區業務處業務經理李景恩(圖3)表示，在工業物聯網的發展趨勢下，機器視覺與聯網是必備的功能，新的PAC系統也較過去更為強調處理速度。
過去的自動化，許多前端的製造設備是單機運作，智慧製造因為加入許多感測功能，所以設備網變成必備的能力，于常濤指出，工業物聯網的網路架構以有線解決方案為主，無線網路為輔，因應感測與控制功能的不斷成長，頻寬也是產業發展趨勢之一，目前工業乙太網主流還是發展已久的Megabit Ethernet，也已有少部分Gigabit Ethernet的導入，預期2∼3年後Gigabit Ethernet被業者採用的比例會逐步提升。
工業乙太網路相關協定主要包括Ethernet/IP、EtherCAT、Profinet、Profibus、Powerlink和Sercos III等，多是由歐美日本的大型工業自動化系統廠商如Simens西門子(Siemens)、Beckhoff、施耐德電機(Schneider Electric)、三菱電機、Rockwell等廠商主導。有鑑於不同協定的互通性將大幅阻礙產業發展，2014年3月由AT&T、Cisco、GE、IBM與英特爾倡議組成工業網路聯盟(Industrial Internet Consortium, IIC)，發展或整合相關工業網路標準就是該聯盟的主要任務之一。
工業物聯網商機大 廠商既競爭又合作
工業網路聯盟在短短時間就吸引了數百家廠商加入，今年3月更與開放互連聯盟(OIC)結盟共組物聯網聯盟陣線。未來，雙方透過資訊共享加快IoT通用標準制定的時程，也簡化工業物聯網系統的建置過程。透過採用開放互通標準和通用架構，建立一套工業物聯網智慧系統，將所有的智慧型設備、工業機器、人員、流程與資料連結在一起，以此降低未來在工業應用和流程上，所需花費的人力時間和操作複雜度。
事實上，除了傳統的機械自動化廠商積極投入之外，資訊電子產業的廠商也相當看好此領域的商機，從工業網路聯盟的發起廠商就可以一窺端倪，瑞薩電子(Renesas Electronics)行銷暨車用事業部策略行銷部經理黎柏均指出，智慧製造產業發展趨勢明確，帶動龐大的市場商機，傳統自動化分為歐系以Siemens、施耐德電機、ABB等為代表；美系廠商包括Rockwell、奇異電子(GE)、Honeywell等；日系廠商如三菱、歐姆龍(Omron)。過去各自的系統相容性不高，在工業物聯網的時代，相容、互通是基本需求，也促成產業的合作。
以台灣的發展來看，由於歷史因素台灣的產業幾乎沒有參與工業1.0與工業2.0的發展，一直到資訊化的工業3.0才有台灣產業的身影，目前投入智慧製造的廠商以研華、台達電、上銀、新漢這些廠商為代表，不過從整個智慧製造與工業物聯網的架構來看，國內廠商規模相對較小，無法像國外廠商建置大型完整的智慧製造架構，台灣廠商憑藉過去自身的專長如工業電腦、電源控制、機械手臂，發展系統化解決方案，由點、線的方式逐漸擴展到面。
所幸目前智慧製造還在發展，台灣廠商相對靈活的規模與解決方案，反而有助於未來在市場上找尋機會與卡位，比如近來層出不窮的食安問題，讓民眾非常重視食品的生產履歷，對台灣智慧製造廠商就是一個很好的切入點，部分本地的食品業並沒有很大的規模可以支持導入國外大型智慧製造系統，台灣廠商可以提供小型的智慧製造解決方案，政府相關部門也積極協助此一應用的發展。
就實際的產業推動現況來觀察，李景恩表示，以國內一線的電子製造廠來說，由於長期面對國際級的客戶，生產規模也大，導入智慧製造已有一段時間，現在有需求的反而是二線的製造商，追求降低成本或新建廠時，會積極想要導入智慧製造，研華在工業4.0的概念下，提供五個面向的解決方案，包括：工廠環境監控、MES整合及生產履歷、省力化/自動化、機台監診與預防保養、設備監診及效益最佳化。
李景恩進一步說明，研華解決方案包括生產資料擷取、生產異常維護、設備全域管理、生產過程追溯，產線倉儲物流，廠務設施監控，生產能耗分析等系統，內容涵蓋MES、AGV、OEE、WMS、AODON、Recipe Management、看板管理、生產設備管理、網路設備管理、ATE檢測、環境監控、設備遠端雲服務等十二個基於CPS的生產程序控制與資訊系統。
智慧製造商機可期，工業物聯網在發展的過程中也還有許多未知的商機會出現，現階段要如何快速建立產業秩序便是最大的挑戰，同時這個過程也是最充滿機會的地方，MIC建議台灣業者可憑藉機械手臂、機器視覺、運動控制等現有優勢，進一步與物聯網系統結合，找出可發揮的空間，找回過去幾年稍稍流失的第一波智慧化商機，讓資訊王國順利轉型智慧島。