製造業力拱智慧工廠　工業通訊/控制元件商機引爆

工業自動化(Industrial Automation)發展全速起飛。為提高工業生產效率、降低人工成本及產線能源消耗，許多國家已開始推行智慧工廠概念，包括德國正積極展開工業4.0產業改革計畫，美國以先進製造夥伴(AMP)政策刺激製造業回流，至於中國大陸製造業則開始投資布建智慧自動化工廠，在在刺激系統廠及晶片商加緊研發工業自動化技術、設備，以及相關控制和通訊元件。

第四次工業革命興起　工業自動化風潮全球擴散

圖1　工研院IEK機械組研究員戴熒美認為，巨量資料分析引擎也是工業自動化重要的發展項目之一。

工業自動化就是第四次工業革命帶來的新概念。從18～19世紀的第一次工業革命實現水力和蒸汽動能，第二次工業革命廣泛應用電力，到第三次工業革命引進以電腦平台控制為基礎的自動化生產，一路演進至今，業界僅在「動力」和「控制」這兩個範疇進行創新；然而，第四次工業革命正面臨前所未見的技術整合挑戰，包括聯網、控制、感測、軟體管理平台和雲端中心連結等設計皆環環相扣，業者甚至須將工廠設計視野放大至工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)層級，方能與未來的物聯網環境緊密結合。

由於工業自動化需求複雜且涉及層面廣泛，因此各國政府皆緊鑼密鼓擬定作戰策略，計畫在2020年前實現兼具遠端網路控管、大量機器取代人工及節能特色的智慧工廠雛型。

工研院IEK機械組研究員戴熒美(圖1)表示，近年中國大陸工資飆漲，其世界工廠的美名已逐漸失色，而該地區群聚的消費性電子產品製造商更是首當其衝，難以在人力成本激升的前提下，持續追求高產能、高品質和低成本生產目標，因此正紛紛出走，轉往東南亞或中南美洲國家設廠，以維持獲利。

然而，戴熒美也強調，這種逐人力而居的工廠建置模式，並非最佳出路，例如今年5月的越南排華暴動，即導致在當地設廠的電機電子製造業者蒙受重大損失，刺激業界更加積極推展工業自動化，包括北美提出AMP計畫、德國推行工業4.0計畫，以及日本大力扶植機器人產業等政策，目的皆為減輕人工為製造業帶來的資本負擔和營運風險。由此可見，工業自動化發展已勢不可當，並正快速向全球擴散，為產業帶來新變革。

迎向工業自動化　嵌入式控制商機先發酵

賽靈思(Xlinx)亞太區Zynq業務開發經理羅霖指出，智慧工廠的範疇不應局限於生產自動化，須兼顧產線彈性和管理效益，因此將帶動工業電腦、工業乙太網路(Ethernet)交換設備、可編程邏輯控制(PLC)、馬達/動作控制、感測器和機器視覺(Machine Vision)等相關應用的發展。隨著物聯網相關智慧化應用愈來愈普及，工廠經營者若能掌握這些技術，就能在競爭激烈的製造市場中搶占商機。

其中，PLC一直是工業控制系統架構中重要的組成單元，例如工廠的自動化照明環境、化學加工流程管理和產線自動化控制等應用，皆以PLC為核心進行控制。因應工業自動化的發展需求，PLC設計必須從最初僅有電子電路邏輯控制的基本功能，逐步追加時序控制、多單元通訊和類比控制等進階應用功能，甚至搭配嵌入式系統整合工業電腦應用產品。

羅霖強調，工業自動化應用對PLC的要求相當高，包括即時控制性能、體積，以及對電路突波、電流脈衝、環境溫度與濕度的抵抗力，從而確保工廠運作的可靠度；因此，PLC亟須導入更先進，且能靈活配置的嵌入式控制方案。

鎖定工業自動化第一波嵌入式控制系統設計商機，包括現場可編程閘陣列(FPGA)、處理器和微控制器(MCU)開發商，均馬不停蹄研發新一代工業級嵌入式處理器，卡位市場。

網路可靠度擺第一　工業級乙太網/Wi-Fi身價漲

除控制方案外，工業自動化還須引進更可靠的聯網方案，以實現遠端管理應用，因而也刺激各種工業乙太網路和無線區域網路(Wi-Fi)技術快步崛起。 工廠通訊可分成工業乙太網路、處理和元件三層架構。元件層提供馬達驅動器、感應器模組間的通訊；而處理層介於中間，透過端對端模式處理與PLC之間的通訊，相較於元件層，其所需的回覆時間較短。最高級的工廠通訊方式則是透過工業乙太網，提供工廠間所需的高資料頻寬和遠距離通訊控制功能。

Altera工業市場亞太區首席經理江允貴表示，工廠充斥重型機具，具有一定程度的操作危險性，且一旦生產出錯勢將造成嚴重損失，所以業者對聯網技術的可靠度要求相當嚴格，使不同於一般乙太網路規範的工業乙太網標準快速受到重視；現階段，工廠控制節點與日俱增，已帶動更高頻寬的10Gbit/s乙太網路技術導入需求。

江允貴指出，目前主要工業乙太網路規範包括CC Link IE、Ethernet/IP、EtherCAT、PROFINET、Profibus、Modbus TCP、POWERLINK和Sercos III等，皆針對封包傳輸路徑的安全性，以及封包資料編解碼機制進行強化，以確保整個工業自動化系統能穩定運作，而工廠管理人員也能針對產線狀況做出正確決策。

基於工廠須融入整體物聯網環境的考量，相關業者更開始擴大導入ZigBee、Wi-Fi等無線機器對機器(M2M)解決方案。其中，Wi-Fi因發展成熟，且橫跨PC、消費性電子等多領域應用，已受到工控設備廠商高度重視，可望在工業自動化市場快速提高能見度。

為掌握市場先機，M2M模組廠u-blox日前已購併工業級Wi-Fi矽智財(IP)開發商--Antcor，進一步針對工廠嚴苛環境量身打造強固型Wi-Fi模組，以加速實現工控設備端對端的連結設計。

值得注意的是，在聯網和控制之前，工控設備還須透過感測機制擷取各種環境資訊，做為資料中心或管理人員分析的依據。

優化工業感測訊號鏈　類比前端設計更上層樓

凌力爾特訊號處理產品部產品行銷經理Brian Black強調，該公司亦提供多款電源管理晶片，可顯著降低工業自動化系統功耗。

凌力爾特(Linear Technology)訊號處理產品部產品行銷經理Brian Black(圖2)表示，工業自動化設備須導入溫度、濕度、電壓和電流等各種感測器，以量測運作狀態；其系統內部的感測器訊號鏈(Sensor Signal Chain)設計特別注重精確度、可靠度、功耗和占位空間，因此，相關運算放大器(OPA)和資料轉換器等類比混合訊號(Analog Mixed-signal)方案皆須進一步提升規格。

Black指出，目前該公司已能提供輸入電壓精確度達30微伏特(μV)的運算放大器，相較於業界僅支援100微伏特產品，可掌握更細微的系統工作狀態變化讓後端處理器做出因應，進而改善系統穩定性和可靠度。

Maxim Integrated工業應用市場專家Suhel Dhanani亦指出，針對工業感測器控制系統(也稱為現場感測器)的開發需求，Maxim已計畫研發整合類比混合訊號前端和數位處理器的系統單晶片(SoC)方案，協助系統業者縮減終端設備體積、功耗，並實現更高的資料精確度和分析性能。

搶占工業自動化商機　台廠急攻馬達控制/機器視覺

圖3　凌華科技總裁楊正義指出，機器視覺係推動無人智慧工廠的關鍵技術。

顯而易見，消費性電子製造工廠由人工轉型自動化生產的發展快速加溫，已引爆龐大工業自動化商機，因而吸引國際大廠積極布局，並刺激凌華、研華、台達電、東元電機和新漢等台系供應商加緊卡位。

其中，凌華已攜手工研院機械所發表機器視覺導引系統，而台達電則挾電力電子技術實力，強推工控設備、機器手臂馬達與運動控制方案。

工研院機械所副所長陳來勝指出，目前亞洲係全球機器人使用量最多的地區，當地汽車和消費性電子製造工業為節省人工成本，並提高生產效率、製程精密度和安全性，正持續擴大導入機器手臂和機器人等工業自動化方案，而馬達控制、運動控制和機器視覺系統係重要組成元素，遂成為台灣工控設備和半導體業者布局焦點。

凌華科技總裁楊正義(圖3)指出，工業自動化奠基於控制器和機器視覺導引方案，相當於人類的大腦和眼睛，因此該公司除不斷擴充工業電腦、PLC、運動控制和工業用智慧型相機產品陣容外，亦於日前攜手工研院機械所發展一套機器人視覺導引(Vision Guided Robotic, VGR)系統，組成全方位的「視覺智動化」解決方案(圖4)，將能實現更快速、精確的消費性電子零組件取放、組裝輔助定位和功能自動測試。

圖4　視覺智動化方案在3C生產線的應用

楊正義更透露，因應工業自動化龐大需求，該公司已斥資上百萬美元在上海營運暨設計中心擴建第三條生產線，將大幅推升設備產能。未來更計畫在公司年營收突破4億美元後，加碼增建第四條生產線，以持續擴充產能。

與此同時，台達電則強攻工業用交流伺服馬達控制與驅動器、高速三軸運動控制系統，全力搶攻工業自動化「控制」商機。台達電董事長海英俊表示，工業自動化需求持續翻揚，可望為該公司營收成長注入動能；尤其台達電聚焦最重要的馬達和運動控制方案，且價格極具競爭力，能提供媲美歐洲西門子(Siemens)與施耐德(Schneider)等大廠的產品品質，因此正快速提升在中國大陸的市占率。

事實上，工業自動化係物聯網的一環。目前物聯技術發展可區分消費性電子聯網、車聯網和IIoT幾個主要路線，而IIoT在各國力推工業自動化的推波助瀾下，已逐漸躍居物聯網產業新焦點，各路晶片、設備廠正蜂擁而至，甚至連儀器商也擴大投入發展工控和資料擷取解決方案。

IIoT應用漸成形　儀器商搶灘工控/資料擷取

圖5　美商國家儀器(NI)嵌入式系統產品行銷總監Jamie Smith提到，該公司已加入工業網路聯盟，將與英特爾、IBM和GE等大廠共同發展IIoT。

美商國家儀器(NI)嵌入式系統產品行銷總監Jamie Smith(圖5)表示，美商國家儀器以圖形化軟體系統設計平台--LabVIEW為核心，進一步發展出結合高效能處理器、現場可編程閘陣列(FPGA)，以及高速類比和數位I/O的LabVIEW可重設IO(RIO)架構，將有助工控設備業者突破傳統工業嵌入式系統的設計限制，並加速克服各種即時控制和監控難題。

近期美商國家儀器更分別推出新款CompactRIO工控設備，以及CompactDAQ資料擷取裝置，透過搭載英特爾(Intel)多核心處理器和賽靈思SoC FPGA，大幅提高處理能力，可滿足嚴苛工業環境中的時序(Timing)、同步(Synchronization)、觸發、工業乙太網路、人機介面和大量I/O資料傳輸等進階控制功能(圖6)。

Smith強調，鎖定低成本的工業分散式控制設備開發需求，該公司更進一步發表內建FPGA，並支援LabVIEW圖形化軟體、即時作業系統(RTOS)和完整中介軟體(Middleware)的系統模組(System on Module, SoM)，協助工程師迅速開發嵌入式系統，並降低客製化功能研發的投資風險。

圖6　工業自動化控制系統示意圖

在晶片商、系統廠和儀器業者傾力投入下，工業自動化技術發展正突飛猛進，市場規模也日益擴大。陳來勝指出，工業自動化將成為台灣下一個兆元產業，而其中關鍵的機器人將驅動馬達/動作控制、工業通訊協定和機器視覺方案的導入需求，促進市場產值節節高升，預估2015年將達到500億美元，發展至2018年更將上看700億美元規模，而台商可望拿下5～7%的市占率，相當於新台幣650億元的商機規模。