現今製造業正面臨客製化、交期短、缺工等諸多挑戰，因此如何實現產線智動化、製程可視化及預先診斷，進而提升生產效率及良率，已是產業界共通發展目標，為此，晶片供應商，軟體/雲端業者皆致力發展相關技術和新一代解決方案。
實現工業4.0 模擬測試扮要角
模擬是實現智慧製造不可或缺的關鍵技術。模擬技術可讓企業在設計階段中儘早瞭解產品故障等可能發生的情況，企業可利用模擬模型預期成果或產品性能；這些模擬結果可作為豐富的資料來源，以用於監督機器學習和預測性建模，且透過預測性模型，可改進反饋回路，從而改善產品設計和建模。
安矽思(ANSYS)系統開發部經理陳正岳(圖1)表示，過往都是用C語言，模擬、寫出客戶的需求或規格。但此一方式的風險在於，因每個工程師都有他的認知和專業能力；因此，不同的工程師看到不同需求和規格時，會寫出不同的C語言。也因此，後來在C語言與客戶的產品需求之間，便產生Model-Based Design的概念，實現產品的模擬性。
透過模擬，可以大幅減少產品開發時間，而隨著工業物聯網(IIoT)的興起，模擬又在運營領域發揮了更大價值。基於此一因素，數位雙胞胎(Digital Twin)的概念也隨之興起。
簡單來說，數位雙胞胎便是透過虛實資訊的有效整合，達到參數即時分析與最佳化，進而強化工廠在研發設計、生產製造及營運管理的效率；而工業物聯網的興起，讓工程師能夠透過網際網路與正在運行的產品或製程上的感測器和致動器通訊，捕捉資料並監測運行參數。
如此一來，便能在實際的產品或製程上實現數位雙胞胎，執行即時的預測性分析和維護，從而優化資產性能。此外，這種數位雙胞胎還能提供相應的資料，以改善整個生命週期內的產品設計。
陳正岳補充，數位雙胞胎的概念源自於1960年美國空軍的機身維護計畫。由於飛機在飛行時絕對不能有失誤，因此須花費許多時間和金錢進行維護，在每次飛機降落時，美國空軍都會派工程師對機身進行機身維護，降低失事率，以及確認飛機生命週期。
總而言之，模擬是智慧製造不可或缺的關鍵技術，不僅可降低產品開發週期，還可實現預測性維護，數位雙胞也因而備受重視。為此，ANSYS也致力發展相關解決方案，並與眾多領域業者合作，像是與泵和泵系統設計製造企業格蘭富攜手，擴大旗下模擬軟體的使用，創建完整的數位雙胞胎；而格蘭富將採用數位雙胞胎技術提升產品品質和性能，提高研發工作效率，優化維護，降低意外停機帶來的整體成本和風險。
發展工業4.0 感測器和聯網技術是關鍵
要實現工業4.0，另一個重點便在於數據的擷取與分析，也因此，感測器和聯網技術同樣不可或缺。羅姆(ROHM)半導體FAE副理黃乙丞(圖2)指出，工業1.0是使用蒸氣和水力的機器代替人工，工業2.0是為了因應大量發展，開始在產線上使用電力。而從工業3.0則開始運用機器人等新科技；至於工業4.0，為了要實現全面的自動化流程，開始透過物聯網(IoT)和感測器技術，將感測器偵測的數據傳上雲端，接著在雲端上使用深度學習或是人工智慧(AI)進行分析，進而達到全面智慧化生產的目的。
黃乙丞說明，感測器在IIoT或智慧製造中可說是不可或缺的元件之一。因感測器可以偵測動作或物理變化，像是環境光線、加速度力或磁場變化等。感測器可根據其收到的數值，回報給控制系統，系統再做出進一步指示改善工作現場，例如透過光線感測器，偵測現場端的光線是否太暗或太亮，再加以調節。
也因此，物聯網裝置以及感測器的需求持續增加，而羅姆也備有相關解決方案因應市場需求；像是近期發布的可輕易構建感測器環境的Arduino用擴展板「SensorShield-EVK-003」。
據悉，該產品將ROHM旗下的8種感測器產品分別安裝在PCB板上，並與開放平台連接用擴展板組成套件，僅需與Arduino Uno等進行連接並嵌入軟體，即可構建感測器環境。利用感測器產品方便評估易導入的優勢，可大幅縮減IoT設備的開發工時，同時有助於擴大市場規模。
除了感測器之外，黃乙丞說，該公司也致力發展無線聯網解決方案，因無線聯網具備有線聯網沒有的優點，像是易於安裝、維護成本、時間較低等。而除了Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)外，目前該公司也積極推動EnOcean和Wi-SUN無線技術於工業應用之中。
EnOcean是利用存在於自然界的動作、光和溫度差等極小的能源(能源採集器)，無電源、不需要保養的無線傳輸系統，因此功耗非常低。
至於Wi-SUN則是獲得日本電力公司採用在智慧電表通訊上，而備受關注的無線通訊規格。在日本，主要是特定小功率無線的920MHz頻段使用，和Wi-Fi相比，Wi-SUN雖然通訊速度慢，但具有通訊距離長、不會受到障礙物阻擋、容易連接且功耗低等優點。
羅姆對於EnOcean和Wi-SUN技術都著力甚深，該公司現已是EnOcean技術聯盟的會員，未來將不斷強化EnOcean Alliance的合作體制，持續推進新技術與新應用的開發。至於在Wi-SUN方面，羅姆已成功研發Wi-SUN對應無線模組「BP35C0」和「BP35C2」。
工業4.0安全防護不可少 智慧開關一把罩
自動化是工業4.0其中一個關鍵步驟，英飛凌資深主任工程師顏榮宏(圖3)指出，要實現工業自動化，須考量的面向包含監控層(Supervisor Level)、控制層(Control Level)、現場層(Field Level)，以及安全性(Security)。其中，如何提升整體的安全性和可靠性，以因應各種異常狀況，更是工業自動化中的發展重點。
顏榮宏表示，要實現工業自動化，安全性考量(Functional Safety)是不可或缺的。因為有些意外狀況所引發的災難往往是無法估計。因此，透過安全性考量，可以提前發現異常或潛在風險。也因此，在控制層需要更多的防護。
顏榮宏舉例，一般工廠系統或是機械手臂、馬達等設備，其數位輸出切換開關(Digital Output Switch)多採用離散式的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，但這類MOSFET並沒有保護診斷(Protection Diagnosis)的功能。也因此，該公司便將Switch整合Protection Diagnosis功能，打造一系列的智慧開關產品PROFET。此一做法的優點在於，智慧開關能在最短的時間內知道加載端(Load)的情況，在微控制器(MCU)動作之前就先自我保護，降低意外發生機率。
據悉，PROFET智慧電源開關由DMOS功率電晶體和CMOS邏輯電路組成，導通電阻最低可至1.0mΩ，提供超載、過電壓、短路、過熱、接地損失、電源損失和靜電放電(ESD)保護；專為驅動高電流應用而設計，包含電子控制單元(ECU)的電源、輔助電源插座、PTC加熱器或後窗加熱器。高開關週期與高能源需求的應用亦適用此系列開關。
另外，PROFET診斷程式提供狀態或當前感測功能的選擇，或兩者的組合。如果出現故障，狀態功能可診斷過熱或開路負載；而透過消除對附加分立電路和元件需要，診斷回饋和負載電流檢測可將風險降至最低。
顏榮宏說明，除了控制層的保護須提升外，工廠管理人員於現場層的觀念也須跟著改變。以往常常是等設備壞了之後再進行維修、更新，但有了安全性考量觀念之後，須先準備好因應方案，設備一旦損壞時，便可立即啟用備用系統，維持產線正常運作及降低意外風險。未來甚至還須結合「預知維護」概念，意即透過大數據收集、分析，了解設備運轉情況，以事先保養或維修，如此便可有效降低意外發生。
雲端AI興起 工業4.0落地更迅速
工業4.0可說少不了設備監診和預防性維護。設備監診和預防性維護並非新概念，但過往多導入在大型生產系統和高價設備，然而，隨著工業物聯網(IIoT)逐漸普及，加上網路和感測器技術突破，以及人工智慧的興起，讓過去只有少數業者負擔起的預防性維護系統，逐漸滲透到一般工業應用中，結合AI的雲端解決方案也紛紛出籠。
思納捷科技總經理莊棨椉(圖4)表示，目前的生產、製造模式大部分仍是倚賴大量人工，能源、資源等狀態也都靠人工回報，自動化程度不高，也缺乏智動化的機台回饋；而仰賴人工在日後有可能會面臨技術者凋零、人均產值低等困境。工業4.0便是為了改善現況，透過聯網、感測技術與AI的結合，實現少量多樣、高品質的生產模式，而該公司也有相關解決方案，如In-Factory智慧工廠AI總管。
莊棨椉認為，運用雲端AI技術實現工業4.0，須經過三個階段，分別為能源與資源管理、設備整合，數據分析最佳化。
首先是能源管理，顧名思義便是透過全方位的能源方案為智慧工廠建立基礎，通過ISO 50001、14001認證，達到節能與能效提升。像是可透過需量管理方案，透過電力需量視覺化、即時預測告警，提供用電最佳調度決策及契約容量，以協助企業有效管控電費。
第二階段是設備整合，目的是將現場重要設備與機台連上雲端，收集數據，進行節能與設備管理，例如遠端監測設備運作狀態、預知保養、提升稼動率等，達到能效與良率再提升，並降低設備人力維護成本。
最後一個階段則是智慧分析與預警服務，待達到上述兩個階段後，第三階段便是透過AI學習，建立實體設備的的雲端虛擬設備模型，進行設備診斷分析、生命週期模擬等，可適時提出設備故障預知、維修排程決策，並提供場域所需的分析服務，達到設備零故障與運作零中斷的目標。
總而言之，為解決少量多樣的客製化需求、交其短、缺工等挑戰，工業4.0已是必然的發展方向。而為落實工業4.0，不論是晶片供應商、軟體/雲端業者皆致力發展相關技術和新一代解決方案，以提升生產彈性、效率及良率。
