工業4.0

安全第一　專利安全功能掛保證 Universal Robots大中華區總經理蘇璧凱(圖1)表示，Universal Robots為協作型機器人申請了17項專利保護的安全功能，是市場上最多安全專利功能的協作型機器人，也可以說Universal Robots協作型機器人是市面上最安全的機器人。另外，針對工業用機器人可能會加裝的安全皮膚等安全裝置，蘇璧凱說明，Universal Robots協作型機器人已經內建了安全機制，所以並不須要再支出額外費用特別安裝。 圖1　Universal Robots大中華區總經理蘇璧凱表示，人機協作機器人的需求十分可觀，目前逐漸導入中小型企業。 蘇璧凱也指出，台灣名列全球前十大自動化國家，尤其在汽車零組件、LCD製造、半導體、金屬加工與塑膠射出等製造業的自動化發展動能強勁；此外，近年來如手搖飲料店等民生消費產業也能看見協作型自動化解決方案的蹤跡，而設定快速、安裝位置靈活且能在較小空間中作業的Universal Robots協作型機器人，獨具各關節正負360度旋轉能力，並在經安全評估後可免安全護欄，近距離與人協作等特性，為企業主的生產應用增添更多彈性，協助企業快速適應自動化生產流程，進而加速成本回收。 蘇璧凱進一步說明，儘管目前景氣的大環境並不友善，但是Universal Robots在協作型機器人的業務還是有成長，可見市場對於協作型機器人的需求量是很可觀的。過去Universal Robots在台灣的業務著重在工具機、3C產業等，現在也導入中小型企業。Universal Robots志在藉由協作型機器人和無人搬運車的合作，將人力從單調無聊、危險、無產能的工作崗位上解放，讓人力資源去經營更有價值的工作。 根據Interact Analysis預估，協作型機器人市場規模至2027年將成長逾10倍，達到75億美元。為協助各領域企業加速導入協作型自動化解決方案，Universal Robots藉由建立全球第一個由第三方末端夾治具(即機器手臂終端工具或EOAT解決方案)與其他協作型機器人配件製造商組成的生態系統UR+，為各領域與不同規模的企業創造附加價值。 現在多樣化的生產需求讓產業自動化應用情景越趨豐富，不僅促使工業機器人市場穩健成長，具備編程簡易、設置快速、部署靈活、投資回報期短、協同作業及安全無虞等六大優勢的協作型機器人，更成為許多企業評估自動化解決方案時的選向之一。   強化機器人安全性　提升工廠空間應用 除了申請專利的內建式安全功能之外，為機器加裝安全功能也是另外一種選項。過去工業機器人的危險性高，考量安全因素，多用圍籬與人員隔離，避免傷及工廠人員。而過去的協作型機器人在速度與精度又不及工業型機器人，使得工廠應用工業機器人時總是必須犧牲空間以確保安全性。但隨著自動化與科技演進，機器人安全機制的發展使得工廠機器人應用率提升，也釋放許多過去不能利用的空間。 佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶(圖2)表示，由於安全性的提升與各種因素，機器人在台灣工業製造應用率有顯著的提升。明基/佳世達的目標就是工廠機器人的應用要超過本來的50%，希望有一半的人力可以用機器人取代，只留下一半的人力搭配機器人。 圖2　佳世達智慧能源事業處處長黃氣寶(圖左)表示，少樣多量需求趨勢推動，人機協作的彈性產線很適合現在的工廠環境，讓機器人部分取代人力。 黃氣寶指出，以目前台灣的電子業、組裝產業和傳統製造業的狀況來說，並不適合盲目地追求關燈工廠。由於現在產品少樣多量的需求趨勢推動，更適合推廣人機協作的彈性產線，保留部分人力從事特定機器人難以取代的工作，剩下的事就交由機器人完成。 外加式安全皮膚　工業機器人不危險 不過在人機協作的過程中，安全性可說是至關重要。因此明基/佳世達與策略夥伴ABB備有機器人安全協作方案，又稱安全皮膚，安裝在工業機器人上，人員靠近到一定範圍時機器人便會開始減速，當觸碰到人員時，機器人動作便會停止。安全皮膚藉由壓力感測技術，當感測到1公斤的碰觸力道時便會即刻停止機器人動作，承受1公斤的力道人體雖然還是會有感覺，但是不會致傷。另外，安全皮膚利用設置在機器人周圍的地墊感測附近人員的距離，以判斷是否須要減速。 黃氣寶說明，台灣地狹人稠，實際上可用的工業用地其實非常少，但是由於過去工業機器人的危險性很高，必須要用圍籬將工業機器人與工廠人員隔開，而被圍起來的空間就不能夠利用，使原本就不多的空間更加壓縮。透過安全皮膚，就可以提升工廠廠房空間利用率，釋出過去被圍籬圍起來的工廠空間。工廠坪效的利用率就會大幅提升，透過這樣的機制，可以在一樣的空間內設置更多設備，而不須要增添新的廠房，回收過去不得不浪費掉的空間。 另外，黃氣寶也提到，傳統機器人是在固定位置進行固定工作，而現在發展的方向就是要提升機器人的機動性與靈活性。例如機械手臂搭配AGV，可以當作移動式工站機器人，可以做不只一個工站的工作，更能夠解決人力不足的問題，和提升產線資源調配的靈活性。AGV取代無效率搬運人力，提高物料到現線的準時性，減少線邊倉提高生產線坪效使用，目前包括大型汽車物料倉庫與台灣半導體大廠，均有採用明基/佳世達AGV解決方案；而自主移動式機器人(AMR)結合機器人和AGV，採用最新SLAM的AGV搭配6軸工業機器人，使用於移動式工站使用，可以大幅節省人力與空間。 少樣多量需求驅動　機器人更智慧/靈活/模組化 為協助製造自動化，提升人機協作的安全性刻不容緩，同時，提升機器人的靈活性也是不容忽視的。 台灣人口負成長的壓力增加，加上產業對少量多樣製造的需求，驅動著製造自動化，也因此對工業機器人要求更加智慧化、靈活化與模組化。因應製造自動化需求的提升，庫卡(KUKA)備有多樣自動化智慧技術，為未來工業製造奠定轉型基礎。 KUKA亞太區銷售總監梁信裕(圖3)表示，台灣在全球製造業中扮演關鍵角色，KUKA在物聯網和工業4.0方面，打造出整合網路、雲端以及行動工作平台三大面向的技術整合優勢。KUKA提供了從輕型到高階的機械自動化設計解決方案，打造人機協同的作業環境，有效提升製造精準度與效率。 圖3　KUKA亞太區銷售總監梁信裕表示，庫卡提供從單機到系統，從獨立作業到協同整合的多樣解決方案。 台灣製造業中橫跨大型企業與中小型企業多樣化的市場型態，KUKA提供了一致性符合國際標準卻靈活多樣的組合方案，可以與企業與時俱進的步伐下，提供不同階段的智動化作業需求。 KUKA多年來一直致力於「人與機器人之間的協作」和移動性智慧機器人未來領域的開發。而KMR iiwa正是KUKA實現「機器人同事」的目標，智慧移動式單元能夠自主動作。移動平台上的機器人能夠自主運動，以高達毫米的精確度進行對準，找到目標。 針對台灣大型精密製造，像是晶圓無塵室此類的環境，KUKA推出結合自主移動式無人搬運車KMP與LBR iiwa輕型協作機器人，合稱KMR iiwa；它具有可以提供地點應用方面的極高彈性，以及適合舊工廠的布局改造，並提供了客製化組合、高度靈敏、獨立自主、智慧靈活、執行精確五大特色，協助台灣的製造業者順利邁向工業4.0。 梁信裕指出，KUKA在台灣除了經營電子產業之外，與傳統產業如汽車零組件、飲料食品產業、紡織製造業等也都有合作。台灣傳統產業在導入工業4.0的意願其實是很高的，但由於數位化轉型需要大量的數據傳輸，在這方面的轉型將會是比較大的挑戰。另外，台灣中小型製造業，在面臨人口老化以及少子化的社會現象中，找尋保有企業原有的活力快速回應市場，成為中小企業主的重大議題。 為解決上述問題，KUKA針對消費產品所設計的Conveyor Tech軟硬體整合解決方案，將可在合理的成本投資下，加速中小企業出貨或是流程再改造等企業競爭力，透過KUKA Conveyor Tech搭配Vision Solution，客戶可以較有彈性的使用機器人追蹤並取放產品，同時可使用Vision Solution同步評估與確認產品特性，以達到更彈性、更有效率的取放應用需求。

也因為要做的工作實在太多，對於以中小企業型態為主，資源相對有限的台灣製造業而言，要畢其功於一役，可說是不可能的任務。因此，大多數台灣製造業者都必須針對自身的營運需求，排出數位轉型計畫的導入優先順序，然後才能一步步落實，達成數位轉型目標。這也意味著企業主事者有責任為自己的公司排出最佳化的「轉型課表」，因為只有管理高層才有綜觀全局的資源跟能力，而且國際大廠推出的解決方案「套餐」，未必真的符合自家公司的需求。 換言之，企業主必須先盤點現有產線的狀況，找出瓶頸所在，然後評估相關改善的投資成本與回收時間。通常，產線最大的瓶頸所在，也就是最需要優先改善的項目，但考量到相關投資的費用、人力投入成本與回收時間，該項目就未必是當下最需要優先執行的項目。反之，有些回收很快的改善項目，未必能解決當下產線所遭遇的問題，例如能源管理與節能相關的改善，通常無助於解決生產瓶頸的問題，但卻能在成本撙節上帶來很明顯的效果。 緊抓KPI與ROI 由關鍵績效指標(KPI)與投資報酬率(ROI)這兩個I所組成的矩陣，是企業主在制定數位轉型課表時，非常有效的輔助思考工具。KPI與產線本身的改良有直接關係，通常是指個別改善項目所能帶來的量化效益，例如整體設備效率(OEE)的提升、生產效率的提升或設備維護成本的降低；ROI則是個別改善項目所需投入成本的回收時間，一般來說是以年為單位來衡量，回收時間越短越好。 圖1是由KPI與ROI所組成的座標系，第一象限是改善的量化效益高，投資回收期短，最適合優先進行的項目，第二象限則是改善量化效益高，但投資金額巨大，或是回收時間長的改善項目。第三象限則是產線改善效益不明顯，投資回收期也長的項目，通常企業主會避免在數位轉型的初始階段就進行這類型的改善計畫，第四象限則是產線改善效益不明顯，但可以很快回收的改善項目。 圖1　KPI與ROI座標系 對企業主來說，落在第一象限跟第四象限的數位轉型工作項目，通常是比較容易排在高優先事項的投資，因為其所帶來的經濟效益巨大，風險也低。第二象限則屬於「攻堅型」的數位轉型項目，這類項目雖然能帶來不錯的改善效益，但因為投資的回收期長，通常也意味著更大的營運風險。 之所以用相對籠統的方式概述，主要是因為對個別企業而言，即便是類似的改善項目，KPI跟ROI也可能有很大的落差。舉例來說，能源管理方案投資的ROI好壞，就跟個別企業的能源使用狀況有密切關係。 對耗電量大、電力需求波動卻相對小的連續製程產業，例如鋼鐵、石化來說，投資能源管理方案最大的好處大概只有找出不必要的能源浪費，省下一些費用；但對於耗電量中等，電力需求波動幅度卻很大的一般組裝製造業來說，導入能源管理不只是省電費，還有可能衍生出虛擬電廠這類新業務，把節能變成可以創造現金流的生意。如果是耗電量本來就不大的小工廠，在節能方面進行投資，ROI就會變得不那麼吸引人。 工業物聯網/資料可視化必須優先推動 雖然數位轉型的專案項目能帶來多大效果，絕大多數都得看個別廠商的情況而定，但由於數位轉型的終極目標之一，是實現由資料驅動的數位決策，因此跟取得資料、分析資料有關的基礎建設，可說是製造業追求數位轉型的過程中，無法迴避的基礎建設。 據工業電腦大廠研華針對其客戶群所進行的效益分析，很多製造業只要完成工業物聯網建置，並加上資料可視化工具，就能讓OEE提高20%。而且，沒有工業物聯網提供的資料，加上可視化工具對資料進行初步爬梳，數位轉型根本無從推動。因此，這兩項相輔相成的投資，實為製造業展開數位轉型的原點。 事實上，許多大廠正在帶頭推動的「關燈工廠」、「AI輔助決策系統」等專案項目，對中小企業來說都還太過遙遠。如果中小企業沒有先釐清自身的真正需求，把底層需要的基礎建設做好，貿然導入無人工廠或AI系統，恐怕會是一場災難。 無人工廠是工業自動化的極致，但自動化跟製造業數位轉型不宜直接畫上等號。而且，現有的自動化技術還是比較適合少樣多量、大規模生產的運作型態，對多數講求靈活接單、彈性生產的中小型製造業者來說並不適合。即便是研華、凌華、新漢等營收已有相當規模，又是智慧製造解決方案重要供應商，對工業4.0、數位轉型理解較深的業者，其產線也沒打算朝無人工廠邁進。相反的，這些工業電腦業者的計畫，是藉由導入各種智慧化技術，讓員工的人均產值得以向上翻升。 至於AI輔助決策系統，則是數位轉型成功的結果，而不是數位轉型成功的原因。撇開強化學習(Reinforcement Learning)、生成對抗網路(GAN)等還在發展中的機器學習(ML)模式不談，目前比較成熟的機器學習技術，仍是監督式學習(Supervised Learning)。這種機器學習模式需使用大量經過標籤的資料集進行訓練，方可得出相對準確的推論模型。如果沒有資料，空有機器學習所需的軟硬體，也無用武之地。 正如同台灣清大清華講座教授簡禎富在其《工業3.5--台灣企業邁向智慧製造與數位決策的戰略》一書中所提及，未來的製造業面貌，是在自動化的基礎上，結合人工智慧、大數據、雲端、物聯網等快速應用的科技，精進至彈性決策、聰明生產的智慧製造……台灣當務之急，特別是中小企業，應該發展「工業3.5」，作為目前的「工業3.0」和未來的「工業4.0」之間的混合策略。工業3.5的概念，就像人和智慧機器合作，配合數位決策大腦的鋼鐵人。 完全用機器或AI取代人的投資項目，對大多數台灣的中小企業來說，其實是落在ROI與KPI座標系第三象限的項目，除了需要大量投資之外，現階段所能取得的效益其實也有限。混和了人與智慧機器的工業3.5，才能讓中小型製造業穩健地朝數位轉型的目標邁進。 當心路徑依存陷阱 中小企業主事者在為自家公司制定數位轉型計畫時，除了要隨時緊抓KPI與ROI之外，還必須為日後的發展路徑做好準備，以免在不同階段完成的轉型項目，最後在進行整合時，出現難以相容甚至彼此衝突的棘手狀況。簡言之，計畫制定者就像下一盤大棋的棋手，必須具備設想三到五手後棋盤上的局勢，並預先做好對應的安排。 要培養這個能力，首先必須要具備路徑依存的概念。事實上，就像下棋一樣，決策者每做出一個決定，同時也會限制未來能選擇的發展路徑，這就是所謂的路徑依存。 用比較容易理解的情況來解釋，當某家製造業者選擇某種網路技術來搭建廠區的工業物聯網時，日後新增的節點設備就必須要支援同一種網路技術，不然新舊設備可能會出現難以相容的問題，除非是刻意要打造多個網路，並且讓不同網路保持獨立運作狀態。 同樣的，當業者選定了某一個雲端平台後，就會被該平台的應用生態系綁死，除非不同平台之間有規劃完善的轉換機制，否則要把原本建立在某一平台上的應用搬遷到另一個平台上，會是一個大工程。 雖然目前各家解決方案供應商都高舉開放大旗，但開放跟封閉是相對的觀念。過去工業設備跟相關軟體解決方案產業是極度封閉的，許多大廠牌都有自己的資料傳輸、控制命令協定，只能跟自家的其他產品互通。現在的情況則稍有轉變，從單一品牌通包變成各品牌彼此結盟，共建生態圈。 跟完全只能用單一品牌業者的情況相比，現在的情況當然是比過去開放，但這所謂的開放，其實也只存在於同一陣營或產業聯盟間，跨陣營的互通還是會很容易出現問題。 展望未來，工業領域的設備跟軟體供應商，除了少數特殊情況，將越來越難用自有標準綁客戶，因為整個產業的趨勢是越來越開放。對製造業者來說，此一趨勢固然是有利的，但製造業者還是需要對技術的路徑依存問題提高警覺，畢竟新舊設備不相容，在強調萬物互聯的物聯網時代，會造成更嚴重的問題。 當然，只要市場存在跨廠牌/跨陣營設備整合的需求，自然就會有對應的供給出現，這也是實務上很少有製造業者會整條生產線採用同一品牌設備的原因。協定轉譯、機台改造等軟硬體解決方案，都已經行之有年，也是用戶得以避免被供應商綁死的巧門鎖在。 另一方面，雲端運算是製造業數位轉型中新出現的元素，很多製造業者對此並不熟悉，因此在選擇服務供應商時，常會忽略了服務供應商轉換的隱形成本。雲端平台其實也是一個個生態系彼此競爭的市場，有些服務供應商為了挖對手的牆角，會提供對應的轉換工具，降低用戶平台轉換的成本。但不同的雲平台終究有不同的生態系統，有些應用或工具就專屬於某一平台。 當用戶還停留在資料可視化階段的時候，不同平台之間還看不太出差異，但如果用戶要發展更進階的資料分析工具，或是尋找現成可用的第三方應用時，就會有很明顯的感受。這也是為何Google的雲端服務幾乎橫掃個人用戶市場，但在工業雲上的能見度跟市占率，會遠不如微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)等其他雲端服務供應商的原因。 企業運作不能脫離基層　現場人員意見不可少 雖然數位轉型必須要由上而下推動，且主事者的意志跟計畫品質良窳攸關整間公司數位轉型的成敗，但有意推動數位轉型的企業管理高層，除了要時時刻刻從KPI與ROI兩個面向來思考問題，並小心避開路徑依存陷阱之外，也必須懂得聆聽第一線人員的聲音，方能避免錯誤的決策。 第一線人員不僅是設備的直接使用者，同時也是最熟悉製造流程中諸多細節的人。如果製造業的數位轉型計畫完全是由管理層由上而下推動，基層人員的想法或建言沒有納入，會很容易出現盲點。由下而上跟由上而下兩條路線同等重要。由上而下的推動，重點在讓全體員工了解企業數位轉型的大方向要怎麼走；由下而上的推動，則是要為了抓緊細節，避免企業的數位轉型計畫不接地氣。 也因為第一線人員的參與，對企業數位轉型的成敗十分關鍵，如何讓公司從上到下都了解數位轉型的真實面貌，進而為組織轉型做出貢獻，是非常重要的。 資料透明化是實現數位轉型必要的基礎建設，但資料透明不是人人都喜歡的事情。資料透明意味著企業的管理階層可以清楚掌握製造現場的狀況，甚至做到即時管理，這對基層員工來說是有壓力的。舉個最簡單的例子，沒有人希望自己上班時的一舉一動都被老闆盯著看。 另一方面，做產線主管的人，在資料透明化之後，自己的管理思維也得跟著改變。看到蜂擁而來的即時資料，其實管理者也不輕鬆。因為有資料，當中階主管的人會比過去更容易落入微觀管理(Micro Management)的陷阱。製造業固然是非常講求工作紀律的產業，但如果主管不分大小事都要介入，結果肯定是吃力不討好。 總結來說，企業要進行工業4.0或數位轉型，不只是導入工業物聯網或是把資料傳到雲端去做大數據分析就好。技術面的問題容易解決，組織文化跟管理風格的問題比較難解。因此，如果企業內部已經有資料驅動的文化跟機制，只是資料的取得還沒有那麼自動化，推動工業4.0會比較單純。但如果企業本身還沒有建立起重視文件記錄跟用資料做決策的文化與運作機制，導入工業4.0就會牽涉到組織文化的變動，這才是真正的挑戰所在。

工業自動化由來已久　聯網技術代代相傳 工業自動化與通訊網路(簡稱工業網路)的發展史，可追溯到20世紀初期。當時製程控制與生產系統，都是採用機械科技搭配類比裝置，以透過中控系統來遙控，這些技術至今仍非常普遍。到了1960年代，工業自動化便從類比時代進入數位時代。由於數位化電腦的出現，廠商開始使用數位化電腦來當作各種工具機的數位控制器，並配置直接數位控制(Direct Digital Control, DDC)的專屬面板，成為工業自動化儀器的主要操控模式。 由於工廠需求要更穩定耐用，因此可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)被開發出來，並大量應用於工廠自動化。到了1980年代，區域網路(Local Area Network, LAN)技術的出現，不僅讓電腦之間可以互相連接、傳遞資料，同時也可以連接各種自動化設備以便控制。而LAN的標準中，又以迪吉多(DEC)、英特爾(Intel)和全錄(Xerox)共同開發出來的乙太網(Ethernet)為主流。當時最早的工業網路，主要是應用在各種生產過程的資料蒐集，到了1990年代，自動化控制網路逐漸蔓延開來。 因應不同需求　工業網路走向多層架構 近20年來，在資訊科技、通訊技術與工業技術的進步之下，工業自動化已經躍升到嶄新的階段，以工業網路來說，各種光纖、無線網路技術的應用也陸續導入工廠環境。工業自動化根據不同產業特性與需求，其所衍生出來的自動控制系統也有所不同，若照系統輸出與輸入量的關係，可分出線性、非線性控制系統，不同系統有不同的通訊標準。以目前的工業自動化網路技術來說，可以分成5個層級，從低至高分別是：場域(Field)層、控制(Control)層、監控(Supervisory)層、計畫(Planning)層、管理(Management)層。 在第一層的場域層中，主要是由感測器(Sensors)和致動器(Actuators)組成，採用的通訊技術則有控制器區域網路(CAN)、DeviceNet、Honeywell SDS、ASI、Bitbus、Profinet、P-Net、Seriplex、Sercos Interface等Sensorbus的工業匯流排標準。再往上的控制層，就可分成PC(以PC為主的控制系統)、PLC控制器、DCS(分散式控制系統)等控制系統，再加上CNC機台，就有Profibus、World FIP、EtherCAT以及 Profinet等領域匯流排(Fieldbus)的工業通訊標準。 到了第三層，這些以PC為主的工業電腦，來做監視、控制、處理、蒐集，因此所使用的工業網路通訊協定標準，則涵蓋了Ethernet、MAP、TCP/IP、EtherNet/IP、Modbus/TCP、Profinet等區域網路的通訊標準。而更上層則包含了計畫與管理層使用一般或商業PC，則使用有線乙太網標準，並建構廣域網路(WAN)的環境。工業網路標準的演進 工業乙太網將成主流,傳統的工廠環境中，每個生產設備大多是採用獨立的系統與工業標準，因此每個機台都只能獨立作業，其顯示的數值、產生報表等各種資訊，是無法與其他機台共享的，這是因為早期的機台並未有標準的通訊協定，使得各廠商各自開發自己的通訊協定或標準，讓工廠機台的資訊整合不易。 開放特性有助資訊整合　乙太網漸成主流 雖然有些機台提供傳統、速度慢的傳輸介面，例如RS232、RS422、RS485、 Modbus、CC-Link等。隨著資通訊科技的進步、網際網路流行，促使乙太網與Wi-Fi無線通訊技術發展成熟，加上近年來雲端應用、物聯網等新興議題，促使各產業的上下游資訊走向透通化，產業鏈的資訊整合成為企業的發展趨勢，促使工業領域吹起採用開放的乙太網路標準，以利於資訊整合，以提供給供應商或客戶，創造更多價值。 工業乙太網路(Industrial Ethernet)採用乙太網路的TCP/IP通訊協定，相容於IEEE 802.3標準，並會搭配不同的應用層來聯繫各自特有的協定，例如PROFINET 、Modbus-TCP、EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS III、SafetyNET p、VARAN以及Ethernet Powerlink等，讓硬體設備廠商捨棄傳統Serial Port而改用Ethernet Port，使用者就能利用一般CAT-5e網路線，來與其他設備或工業電腦做連線，不需額外的硬體配備。 此外，使用乙太網路的機台，不僅速度比傳統通訊埠還快，且既有的網路中繼器(Hub)、交換器(Switching Hub)、路由器(Router)、甚至無線基地台(Wi-Fi...

工業4.0浪潮襲來，市場競爭也更加激烈，少量多樣、大量客製化成為製造業新趨勢。如何善用機台間龐大的數據資料、優化企業流程、打造簡單化、標準化且數位化的營運模式，成為眼下最重要的課題之一。因應此潮流，SAP宣布與台達電子展開策略合作，整合資訊技術(IT)與營運技術(OT)，打造智慧製造生態圈，透過資訊系統與自動化設備的結合，實現軟硬體整合的優化效益，加速協助台灣製造業升級工業4.0布局，扎穩營運致勝根基。 台達資訊長柯淑芬表示，台達以多元化產品及分散式製造兩大方針持續提升企業競爭力。為了維持領先優勢，藉由與SAP的策略結盟，落實符合未來趨勢的自動生產模式，並將串聯客戶及上下游供應商、打造智慧製造生態圈，積極驅動台灣產業升級。以台達的智慧製造示範產線為例，導入自行開發軟硬體整合方案完成全面智慧化後，可提升產能約70%，同時減少約35%的生產使用面積，更將直接人力人均產值提升3~5倍。 柯淑芬指出，台達在全球共有6個綠能資料中心，其中在台達總部的資料中心更是全球第一個獲得LEED白金級標章的綠能資料中心。該資料中心內使用的所有解決方案皆由台達一手包辦。這就是一個很好的成功經驗，不管是電源系統、機櫃及配件及環境管理與整合，台達都有完整的解決方案。無論是中小企業到大企業，都可以參考台達的成功經驗，發揮軟體整合硬體的強大優勢，提供兼具安全、開放且彈性的溝通平台，協助客戶打破資訊孤島現況、串連跨部門營運資料，即時管理跨國據點，加速轉型智慧企業。 SAP全球副總裁/台灣總經理謝良承則表示，過往台灣傳統產業為了維持市場優勢，可能會有保留經驗的想法，然而在SAP舉辦的許多國外活動中，可以看見業界彼此會互相分享、良性交流，因此希望藉由SAP跟台達的策略聯盟，彼此分享耕耘智慧製造的成功經驗，協助台灣產業能更無痛、順暢的轉型智慧企業，逐步邁向工業4.0願景 展望未來，SAP與台達將持續協助台灣企業開創嶄新商業價值，以過去製造業既有優勢作為布局基礎，整合創新數位科技，逐步累積軟硬體雙向實力，帶動整體產業向上升級，逐步向工業4.0邁進，穩固全球市場競爭利基。 SAP全球副總裁/台灣總經理謝良承表示，工業4.0的精神不僅止於自動化，而是客製化生產Production By Demand。跟台達的策略聯盟合作，希望可以藉助台達多年在做數位轉型的經驗，提供給台灣企業Total Solution的協助。  

設備資料有效上雲端　升級智慧工廠平步青雲 MOXA市場開發副理林昌翰(圖1)指出工廠自動化目前的挑戰，由於工廠內有太多不同廠牌、種類的設備，該如何整合各種設備，如何收集資料、監控設備是第一個問題；第二個則是不同資料的擷取。例如設備商將設備賣到全球，要如何管理監測也是一大挑戰。 圖1　MOXA市場開發副理林昌翰表示，AI大數據時代，升級智慧工廠首要任務就是讓設備資訊上雲。 林昌翰進一步說明，AI大數據時代，所有設備都要收集資訊，因此需要大量感測器。目前常見廠商用可程式控制器(Programming Logical Controller, PLC)收集資料，但這會出現幾個問題，用PLC來擷取資料可能會造成過大的負擔，因為資料量太大。在上傳資料到雲端時如果要執行邊緣運算甚至上傳到公有雲，都要耗費很多精力，因此MOXA認為要把資料擷取到雲端，讓設備做該做的事。 比方說，串列轉換器要連網時可以使用串列設備連網伺服器，另外若是複數感測器要連網，則可使用支援雲端技術的IIoT控制器。林昌翰表示，未來MOXA的設備都會支援雲端，可以快速布建模組化設計，易於進行故障排除。而這樣做的好處就是可以直接進行邊緣運算，不用把所有資料都上傳雲端，先進行前端處置，讓設備連網更有效率。 林昌翰解釋，至於工廠自動化的第二個挑戰，業者將設備賣到國外要如何監控，則可以利用雲端技術，在設備銷售時就搭配可遠端連接的閘道器(Remote Connect Gateway)。業者可提供一個USB給廠商，設備發生問題時再進行連接，此時業者就能從遠端處理經過加密的資料。這樣的做法就可以彈性地使用並能大量部署。 5G驅動工業4.0　蜂巢科技成長可期 所謂工業4.0可以分為四個階段，第一階段就是收集設備上感測器的資訊，而後分析收集到的資料做格式化、圖型化的轉換，再對這些經過整理的資訊進行預測。最後一個則是視覺化(Visualization)，包括攝影機、光學電視等具有高數據資料量的應用，而與5G通訊結合的工業應用也因此變得更加重要。 美商優北羅(u-blox)商業開發主任林世澤(圖2)表示，在工業與車用方面，隨著電信資費的降價、5G基地台越來越普及，將有更多的設備商會直接透過蜂巢(Cellular)科技，將資料上傳到基地台。根據Machina Research的預測，到了2025年蜂巢式網路的物聯網設備連接數目將會達到220萬。 圖2　u-blox商業開發主任林世澤表示，蜂巢式網路的物聯網設備連接數目正大幅成長。 林世澤指出，對u-blox來說5G應用包括了三大應用場景，物聯網、定位與V2X。在工業物聯網領域，現今應該都還是透過Wi-Fi、ZigBee等通訊協定將感測器資料傳送到設備供應商，供應商再藉由有線上傳雲端或是利用NR、NB-IoT等傳到基地台，但是u-blox在這裡看到了Wi-Fi、5G蜂巢通訊的機會，利用蜂巢式網路就可以直接將資料傳送到基地台；定位方面利用GPS和蜂巢技術的結合，從衛星收到GPS訊號，再藉由5G傳回基地台；最後一個則是V2X，車與車之間或是車與交通設施之間的資訊交換可以直接藉由蜂巢技術傳回基地台。 故障預診斷提升產能/設備稼動率 進行了資料的收集、整合，並上傳到資料中心之後，若能針對設備故障預先診斷，也能大幅提升產能並降低相關成本。 工研院巨量資訊科技中心資料分析技術部副經理賴建良(圖3)表示，善用AI和大數據可以創造智慧製造新價值。在產線端可以導入故障預診斷(PHM)技術，提升產線效率同時降低維修成本。 圖3　工研院巨量資訊科技中心資料分析技術部副經理賴建良表示，在產線端導入PHM技術，可以提升產能減少成本。 賴建良說明，工業製造的產線設備維護包含了預測和進廠管理兩個部分。預測的其中一個問題就是過度保養，有時設備零件還沒壞，保養時間到還是馬上更換，造成資源以及開銷的浪費。另一個問題則是非預期性停機，即使已經定期更換零件，設備依然有可能意外停機，停機以後就須要進行清機和調機等作業，進而會影響產能和設備稼動率。 賴建良進一步說明，利用生產過程中機台相關的資料與維修紀錄，可以進行故障預診斷。收集關鍵零件的健康指標，了解零件與正常狀態的差距，進行健康狀態評估，即可快速找出故障源進行排除，關鍵零件健康狀態一目了然；另外，藉由相關資料的收集分析，可以進行故障預測，避免零件無預警故障造成非預期性停機，在故障點前提早預測到，事先進行零件的更換與維修，減少無預期故障帶來的原料損失。 工業電源設計更安全　隔離式控制器不可少 以上談到了物聯網時代智慧工廠的應用趨勢，但同樣不可忽視的，就是工廠環境最重視的安全問題，在工業電源系統中，隔離(Isolate)是一個不容忽視的議題。 茂宣企業(亞德諾ADI)應用工程經理陳俞阡(圖4)表示，進行隔離不外乎幾個原因，其中一個就是安全，為了防止人員碰觸而形成迴路引發安全危險；二則是有時會有電壓主位轉移(Shift)的發生，因此有些人會使用一些隔離的電源來做電壓/電平轉換器(Level Shift, LS)；另外，電流的路徑永遠都是從哪裡出發就回到哪裡，所以透過隔離的做法可以確保電流方向，設計可以因此更乾淨簡潔；最後一個理由則是透過隔離來避免電流的浪湧(Surge)與雷擊的狀況發生。 圖4　茂宣企業應用工程經理陳俞阡表示，工業電源設計要安全，做好隔離很重要。 在工業系統的隔離有許多不同的電源設計，在工業用PLC系統等有電源設計需求的應用中，常見的拓撲以馳返式(Flyback)架構為主，因為Flyback的架構簡單而且成熟，但傳統的Flyback架構會遇到幾個問題，就是線路太複雜、零件太多、備料太麻煩。 為解決上述問題，ADI把所有元件全部整合到單一晶片，做一次側電流0電流的檢測，一次側電流到達到0的時候，才針對晶片內部MOSFET的切換，來達到最終混壓的效果。其好處是在PLC的系統裡面一次側和二次側的電流設定可以變得非常簡單，而不會出現太過複雜的線路，例用低廉的成本達到一樣的效果，讓工業電源設計既安全又經濟。

因應製造業自動化需求的提升，庫卡(KUKA)備有多樣自動化智慧技術，為未來工業製造奠定轉型基礎。台灣人口負成長的壓力增加，加上產業對少量多樣製造的需求，驅動著製造業自動化，也因此對工業機器人要求更加智慧化、靈活化與模組化。 KUKA亞太區銷售總監梁信裕表示，台灣在全球製造業中扮演關鍵角色，KUKA在物聯網和工業4.0方面，打造出整合網路、雲端以及行動工作平台三大面向的技術整合優勢。KUKA提供了從輕型到高端的機械自動化設計解決方案，打造人機協同的作業環境，有效提升製造精準度與效率。台灣製造業中橫跨大型企業與中小型企業多樣化的市場型態，KUKA提供了一致性符合國際標準卻靈活多樣的組合方案，可以與企業與時俱進的步伐下，提供不同階段的智動化作業需求。 KUKA多年來一直致力於「人與機器人之間的協作」和移動性智慧機器人未來領域的開發。而KMR iiwa正是KUKA實現「機器人同事」的目標，智慧移動式單元能夠自主動作。移動平台上的機器人能夠自主運動，以高達毫米的精確度進行對準，找到目標。針對台灣大型精密製造，像是晶圓無塵室的環境，KUKA推出結合自主移動式無人搬運車KMP與LBR iiwa輕型協作機器人，合稱KMR iiwa；它具有可以提供地點應用方面的極高彈性，以及適合舊工廠的佈局改造，提供了客製化組合、高度靈敏、獨立自主、智慧靈活、執行精確五大特色，協助業者邁向工業4.0。 梁信裕指出，KUKA在台灣除了經營電子產業之外，與傳統產業如汽車零組件、飲料食品產業、紡織製造業等也都有合作。台灣傳統產業在導入工業4.0的意願其實是很高的，但由於數位化轉型需要大量的數據傳輸，在這方面的轉型將會是比較大的挑戰。另外，台灣中小型製造業，在面臨人口老化以及少子化的社會現象中，找尋保有企業原有的活力快速回應市場，成為中小企業主的重大議題。 為解決上述問題，KUKA針對消費產品所設計的Conveyor Tech軟硬體整合解決方案，將可在合理的成本投資下，加速中小企業出貨或是流程再改造等企業競爭力，透過KUKA Conveyor Tech搭配Vision Solution，客戶可以較有彈性的使用機器人追蹤並取放產品，並可使用Vision Solution同步評估與確認產品特性，已達到更彈性、更有效率的取放應用需求。 KUKA亞太區銷售總監梁信裕表示，庫卡提供從單機到系統，從獨立作業到協同整合的多樣解決方案。  

工業4.0浪潮席捲全球，多年布局落地時機愈趨成熟，政府動作積極，產創條例近期修法三讀，智慧機械與5G投資均可抵稅，未來3年可說是製造業的決勝時刻。新「智造」勢力形成，2019台灣機器人與智慧自動化展，明基/佳世達結合友通資訊、維田科技、其陽科技、明泰科技，共同展出全方位智慧工廠解決方案。 IDC 2019年報告指出，AI、5G、雲端系統、物聯網與機器人將是未來三至五年影響企業最深的五大重點科技，亞太地區已有超過六成的企業正在思考並建立未來工作(Future of Work, FoW)的相關規劃，預估亞太地區2020年在FoW的相關技術投資將達到6,000億美元以上，工廠智慧轉型便是其中一環。 佳世達智慧方案事業群總經理李昌鴻表示，明基/佳世達聯合艦隊所擘劃之新世代智慧工廠藍圖，首先為生產流程全面性可視化管理，其次透過數據收集與分析持續檢視並改善效率，最終目標是將方案模組化、應用到不同產業場域。在全球工業4.0趨勢的快速驅動下，明基/佳世達聯合艦隊的全方位智慧工廠解決方案，將可強化業者競爭力，掌握未來製造業的智慧化商機。 明基/佳世達2019年持續與策略夥伴ABB展出機器人安全協作方案。相較於傳統工業機器人，觸覺感測除了能讓機器人更像人一般靈活操作，觸覺感測除了能讓教導機器人上更加便利和靈活，也大幅縮短使用機器人的技術門檻，最重要的是還能確保使用上的安全性。此外，人機協作也完全符合少量多樣與客製化的製造趨勢。 自動化物流系統與智慧倉儲方案方面，AGV取代無效率搬運人力，提高物料到現線的準時性，減少線邊倉提高生產線坪效使用，包括大型汽車物料倉庫與台灣半導體龍頭廠，均已採用明基/ 佳世達AGV解決方案。AMR(自主移動式機器人)結合Robot 和AGV ，採用最新SLAM 的AGV 搭配6軸工業機器人，使用於移動式工站使用，大大節省人力與空間。

TSN管理網路流量更順暢 TSN的其中一個組成部分是管理模型，能夠管理和引導網路上的流量串流，並且能夠配置IEEE通訊協定系列，以便在同一個網路上成功運作。TSN可比擬為鐵路系統，網路管理模型類似於處理列車(資料)交通的鐵路訊號系統，因此列車(承載)能夠抵達目的地而不會相撞。如IEEE P802.1Qcc通訊協定中所述，有三種可能的管理模型，包括完全集中模型、完全分散模型和部分集中模型。 在完全集中的模型中，終端裝置與集中管理實體進行關於串流要求的通訊。然後，集中管理實體使用這些要求來計算網路串流的必要調度，以滿足這些需求，並隨之配置交換器和終端裝置(也就是比擬中的火車站)。 在完全分散的模型中，發起方向接受方 (通常是終端裝置)提供開放串流，而且終端裝置上的應用程式會通知網路元件保留特定串流所需的資源。這種方法不需要中央管理實體。 雖然在部分集中模型中存在集中管理實體，但是在轉發到集中管理實體之前，來自終端裝置的資料會透過標準化通訊協定傳遞到最近的橋接。換句話說，部分集中式模型中的集中式管理實體僅管理各個網路流量串流和資源，而毋須在全域層級處理來自每個終端裝置的串流需求或承載資料。 根據IEEE 802.1CB通訊協定的定義，「區域網路和都會網路的標準：達到可靠性的訊框複製和消除」，TSN串流識別會運用幾種不同的方法來識別串流。這些方法包括目標MAC地址和VLAN識別碼、來源MAC地址和VLAN識別碼等等。此外，串流識別用於計算透過網路的特定串流的資料流以及處理容錯的備援路徑。 完全集中模型管理流量最直接 雖然完全集中的網路管理模型不是處理時效性網路中流量的唯一方法，但該模型是說明目的的三種方法之中最直接的一種。 如前所述，完全集中的網路管理模型具有執行兩個關鍵角色的集中管理實體。如圖1所示，這些功能由集中使用者配置(CUC)和集中網路配置(CNC)表示。 圖1　完全集中的時效性網路模型，是最直接處理時效性網路中流量的方法。 如圖1所示，完全集中的TSN模型包括下列五個元件： 終端站(發起方和接受方)：這些終端裝置運作需要時間關鍵的確定性通訊的應用程式，並做為透過TSN系統傳輸的乙太網路訊框來源(發起方)和目的地(接受方)。 橋接(乙太網路交換器)：TSN橋接是乙太網路交換器，用於發送和接收包含時間關鍵型通訊串流的乙太網路訊框。硬體可由任何供應商開發，但必須能夠根據嚴格同步的排程傳輸訊息。 集中使用者配置(CUC)：中央使用者配置是供應商特定的應用程式，能夠與CNC和終端裝置進行通訊。CUC代表控制應用程式和終端站，要求與CNC進行確定性通訊。  中央網路配置(CNC)：中央網路控制器是供應商特定的應用程式，可促進網路上控制應用程式的確定性訊息傳遞，並訂定計劃傳輸所有時間關鍵資訊串流，然後部署到啟用TSN的橋接(乙太網路交換器)。 時間關鍵資訊串流：在TSN模型中發起方和接受方之間傳遞的資訊包括時間關鍵「串流」。TSN模型中的發起方和接受方之間的每個時間關鍵資訊串流由終端裝置唯一標識，而且有嚴格的時間要求，須要對於確定性訊息傳遞確實遵循。 相較於僅分別處理單一需求或網路功能的完全分布式或部分集中式模型，完全集中式TSN模型使用集中方法來表示「使用者需求」和「網路功能」，以便自動整合整個系統的所有元件。雖然完全集中的模型有助於改進整合，但是須要更複雜的計算以確保更好的網路運用率。最後，使用者選擇的TSN模型取決於應用的特定需求，而且不屬於TSN任務群組制定的IEEE標準的範圍。不過，由於每個模型和應用程式中部署的特定技術和通訊協定可以由任何供應商提供，因此顯然需要獨立供應商和其他產業組織來填補這片空白。 TSN為IIoT/工業4.0提供高確定性網路 TSN技術為標準乙太網路上的確定性網路提供可擴展、可預測的方法。但是，由於TSN不僅僅是一個工具，而是一個全面的解決方案，系統整合商最終必須仰賴獨立供應商和多種通訊協定來滿足每個工業應用的特定需求。這種困境正是互通性為確保成功採用TSN的關鍵所在。最後，採用TSN的統一基礎架構從根本上需要在兩個關鍵方面實現互通性(圖2)： 圖2　完整的工業自動化互通性通用架構具第二層互通性。  1.對於第2層網路和訊息傳遞達到TSN相容的通用結構。 2.跨越整個網路的多個通訊協定進行通訊的通用語義。 體認到工業4.0的效益和未來的智慧製造，全球標準組織、工作小組和獨立供應商正在努力建立共同的基礎架構，並展現互通性，以便機器對機器協作、行動裝置的資料存取和更多的應用得以實現。 做為確定性乙太網路標準，TSN本質上是電腦網路的開放系統互連(OSI)模型中的第二層技術。第二層也稱為資料鏈結層，其中包含轉發乙太網路訊框的技術。為了滿足工業4.0對低延遲網路即時通訊的需求，雖然已經達到高網路負載的穩定性，以及資訊技術(IT)和操作技術(OT)的融合資料傳輸，但是，許多乙太網路交換器製造商和產業組織仍然採用IEEE開發的開放TSN標準。 透過與其他乙太網路交換器領導供應商合作，Moxa對於符合IEEE 802.1 TSN標準而且滿足未來需求的解決方案實施確定性乙太網路通訊，直接為第二層技術的開發做出貢獻。藉由Moxa等製造商提供的TSN規格乙太網路交換器，系統整合商可以滿足工業4.0的高頻寬即時需求，而毋須更改現有的應用程式。此外，這些製造商可以簡單地使用標準IEEE乙太網路交換器來完成這些工作，甚至可以將「隨插即製」裝置加入到融合網路中。實際上，TSN規格乙太網路交換器可為IIoT和工業4.0應用提供高確定性網路，其效能與傳統專用系統相當。除了達到可擴展性、彈性、高頻寬和高可用性之外，TSN乙太網路交換器在部署和維護方面具有成本效益。 除了提供用於建立符合TSN標準的統一基礎架構的標準乙太網路硬體之外，Moxa也積極參與跨廠商TSN插拔大會(電子設備設計人員測試其產品與其他製造商的產品之間技術標準互通性的活動)和世界各地的測試台。Moxa已加入四個插拔大會/測試台，分別是德國的邊緣運算聯盟(ECC)、美國的工業網際網路聯盟(IIC)、德國的(Labs Network Industrie 4.0, LNI)和中國的工業互聯網產業聯盟(AII)。透過參與這些插拔大會/和測試台，Moxa可以嚴格測試TSN與其他供應商產品的互通性，並確保開發的實作方式在上市前穩定可靠。 即使未來「自制金字塔」中的裝置可以由獨立供應商開發，每個裝置也必須能夠與系統中的每個其他元件進行通訊，而不僅僅是第二層裝置進行通訊，才能充分實現工業物聯網的效益。除了消除隔離傳統第二層自動化孤島的障礙之外，成功的TSN實施也需要跨層的通訊協定互通性，才能實現更靈活的拓撲結構，並為工業應用開創新的機會。 例如，世界各地的產業組織，包括CC-Link合作夥伴協會(CLPA)、EtherCAT技術集團(ETG)、乙太網路 Powerlink標準化組織(EPSG)、機械工程產業協會(VDMA)、開放DeviceNet供應商協會(ODVA)、Profibus和Profinet International(PI)等等，均針對OPC統一架構(OPC UA)和配套規格進行整併，藉以實現不同供應商和標準之間的通用語義。 OPC UA配套規格允許現有機器透過不同通訊協定進行通訊的公司對應到OPC統一架構，藉以實現IIoT通訊。事實上，EtherCAT、MTConnect、Profinet、Sercos、Powerlink等等已經完成對OPC UA配套規格的對應。OPC UA配套規格提供一種表示不同工業通訊協定的方法，其中資訊通常以不同格式建立為共用通用語言。透過這種方式，來自不同供應商的機器可以實現互通性，而毋須立即放棄現有系統和通訊協定。 雖然OPC UA配套規格為機器互通性提供中間解決方案，但新的計劃是對於從現場到雲端的所有層級應用運用OPC UA做為通用平台，無論是水平層級還是垂直層級。由於OPC UA可用於完整描述複雜系統和語義，因此工業自動化應用可以運用OPC UA實現「原生」通訊協定互通性，並結合TSN技術的支援。例如，如果世界上的每個人說同一種語言，沒有人會在與其他人溝通時需要字典。實際上，無需在不同通訊協定之間進行轉換即可實現無縫互通性，顯然有助於促使產業組織和獨立供應商為未來的工業自動化支援通用語言。 透過採用統一的網路基礎架構，可以實現從廠區的感測器、傳動器、機器和控制器到雲端的雙邊IIoT資料通訊，而不會減損工業控制/自動化的效能。仍然，擴大整合和互連也會導致工業系統面臨網路安全風險。 但是，製造商不應該由於風險而避免採用IIoT技術，並放棄時效性網路優於標準乙太網路的優勢。所幸，國際電工委員會(IEC)也正在制定工業網路和系統安全的全球標準，例如IEC 62443。因此，選擇這些先進技術可以支援未來IIoT網路的統一架構，並對於運用工業4.0和數位化轉型帶來的機會減少面臨的風險。 無論是透過提供產品即服務來提高資產運用率，還是尋求新的商機，目前的數位化轉型浪潮都有望在未來幾年內徹底改變製造業。但是，充分運用工業物聯網的能力需要高頻寬、低延遲、確定性的網路，才能實現工業控制系統的即時通訊。 如今，時效性網路的問世表示標準乙太網路技術能夠提供確定性服務，突破盡力傳送式通訊的傳統限制。透過TSN，製造商不再須要透過專用通訊協定和控制系統將應用侷限於自動化孤島中。工業應用反而可以期待一個未來的大時代，全新的雙邊通訊流程將超越傳統普渡模型的水平和垂直隔閡。實際上，隨著國際標準組織和裝置供應商持續針對TSN進行整併，標準乙太網路技術已經準備就緒，必將成為IIoT時代工業網路的未來基礎。 (本文作者為MOXA產品經理)

所謂工業4.0可以分為四個階段，第一階段就是收集設備上感測器的資訊，而後分析收集到的資料做格式化、圖型化的轉換，再對這些經過整理的資訊進行預測，例如產品何時要維修、產品生命週期等等。最後一個則是視覺化(Visualization)，包括攝影機、光學電視等具有高數據資料量的應用，而與5G通訊結合的工業應用也因此變得更加重要。 美商優北羅(u-blox)商業開發主任林世澤表示，在工業與車用方面，隨著電信資費的降價、5G基地台越來越普及，將有更多的設備商會直接透過蜂巢(Cellular)科技，將資料上傳到基地台。根據Machina Research的預測，到了2025年蜂巢式網路的物聯網設備連結數目將會達到220萬。 林世澤指出，5G通訊有三大應用，增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)可以結合AR/VR，或是遠距醫療，而超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)主要用於車輛、工業應用，大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)常用於CAT M1/NB-IoT，其好處是非常省電且可以支援的連結數相當高。 u-blox主要著重在URLLC與mMTC的應用，其中針對CAT M1和NB-IoT兩種通訊協定，林世澤分析道，CAT M1可用於地下室，並可用在移動中物體或行駛中車輛。NB-IoT則可以在地底下(比地下室更深)使用，但是須要用於靜止設備上連接固定基地台，另外，NB-IoT的電池可以使用10年之久，非常適合用於電表等應用。 林世澤進一步說明，對u-blox來說5G應用包括了三大應用場景，物聯網、定位與V2X。在工業物聯網領域，現今應該都還是透過Wi-Fi、ZigBee等通訊協定將感測器資料傳送到設備供應商，供應商再藉由有線上傳雲端或是利用NR、NB-IoT等傳到基地台，但是u-blox在這裡看到了Wi-Fi、5G蜂巢通訊的機會，利用蜂巢式網路就可以直接將資料傳送到基地台；另外，定位方面就是GPS和蜂巢技術的結合，從衛星收到GPS訊號，再藉由5G傳回基地台；最後一個則是V2X，車與車之間或是車與交通設施之間的資訊交換可以直接藉由蜂巢技術傳回基地台。 u-blox商業開發主任林世澤表示，蜂巢式網路的物聯網設備連接數目正大幅成長。  

在過去，對於特定的工業控制應用，製造商通常不得不採用專用的通訊協定和系統，而不是採用標準的乙太網路技術。雖然早期的乙太網路只能進行盡力傳送式通訊，但近年來標準乙太網路已經發展了漫長的歷程。隨著時效性網路(TSN)的出現，標準乙太網路現在能夠提供確定性服務，並整合了由過去眾多專用通訊協定隔離的「自動化」。 為了對於未來的智慧製造界定真正統一的網路基礎架構，Moxa等國際標準組織和硬體供應商正在共同開發以時效性網路為基礎的解決方案。隨著TSN成為實施真正的IIoT網路的堅實基礎，全球製造商終於可以發揮工業4.0本有的全部效益。本文會將時效性網路對工業自動化的革新分為兩部分，第一部分將介紹TSN與工業自動化的發展現況，另一部分將探討國際標準組織和裝置供應商如何促使TSN成為工業網路的未來基礎。 推動數位化轉型　技術/通訊協定無縫接軌 現今的世界正在見證數位化轉型的新曙光，製造商須要重新考慮現有的商業模式和工業自動化基礎架構。為了在「工業4.0」時代保持關聯性和競爭力，製造商須要做的不僅僅是採用數位技術，並像過去一樣在自動化孤島中部署預先定義的流程。未來的工業有賴於瞭解推動新一波數位化浪潮的因素、目前工業自動化模式對實現數位化轉型的侷限性，以及如何克服這些限制以實現工業4.0的全部優勢。 目前製造技術自動化和資料交換趨勢的基礎，也稱為「工業4.0」或「工業物聯網」(IIoT)，基本上是數位化。透過將類比訊號、聲音、影像、文字和其他資訊轉換為電腦可讀取格式，數位化幾十年來一直在改變產業的本質。傳統產業不僅能夠提高效率和生產力，而且以往難以想像的機會也開拓並改變了我們在全球展開業務的方式。在可預見的未來，這些趨勢將持續以相當強勁的速度推動成長，預計不僅對工業部門，而且對全球經濟都有重大利益。 然而，工業中的數位化轉型不僅僅涉及將類比資訊轉換為1和0系列的過程。為了讓製造商瞭解所有這些資訊，必須從廠區的無數感測器和設備傳輸資料，並為人或其他機器進行處理，以便即時做出明智的決策。因此，智慧製造的數位化轉型必然包括各種網路技術和通訊協定，這些技術和通訊協定能夠實現無縫通訊，而且從感測器到具有人工智慧的精密機器人提高各種數位化設備的可視性。 實際上，數位化能夠實現將來自連線裝置的資料整合，以及收集和採取效能提升回應的能力，這促使許多製造商採用IIoT技術。公司有明確的動機採用智慧製造，以促進營運效率和業務實務做法。無論是尋求減少機器停機時間、提升效能以開拓業務創新的新機會，還是採用全新的商業模式，例如提供產品即服務，製造商都在進行數位化轉型。 自從工業革命以來，製造商一直在尋找提高生產力的方法。在生產機械化之後，製造商已經將裝置連線做為提高效率和利潤的手段。從20世紀80年代開始，製造商開始採用數位裝置，這導致了我們現今所知的工業自動化的出現。可視化工業自動化目前架構的有用方法是經常引用的普渡模型(圖1)。 圖1　現今的普渡模型為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。 在目前的普渡模型中，工業自動化形成了金字塔，其中隔離的專用通訊協定佔據不同的層。但是，這種模式也為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。雖然獨立的專用通訊協定可能相當擅長自動進行對於本身開發的原始任務，但實質上說的是不同的「語言」，因此導致難以進行即時通訊。此模型中的傳統工業網路也針對延遲和控制進行了調整，無法共享線路，而且通常限制在100Mb/s(或更低)的傳輸速度，最後不利於可擴展性。 此外，為多個應用程式使用專用硬體和軟體會妨礙互通性，並增加維護和營運成本。因此，跨層的系統整合和可見性變得難以實現，這對整個價值鏈產生負面影響。 顯然，製造策略也需要發展，公司才能保持全球競爭力。如今，客戶需求變得愈來愈多樣化，公司正在尋找滿足這些新的和未來需求的方法，同時提高營運效率。企業必須盡可能靈活、高效率和快速回應，才能保持全球競爭力。製造商可以根據銷售預測單獨擴大生產的情況已經不復存在。相反地，製造商可能需要運用大數據分析的相關見解來即時滿足客戶需求，並且以更低的成本優化生產。這只是製造商如何部署最新技術以實現「工業4.0」並向前發展的一個例子。 由於產業正在持續數位化、自動化和創新，因此，在複雜的全球營運中，設備、裝置和人員比以往更加緊密。最後，工業網路需要趕上市場和產業發展，以確保企業能夠透過更可靠和可擴展的網路將效率、彈性和可用性轉化為更好的效能、更高的員工和客戶滿意度，以及更多的成長。 通用語意/統一基礎架構成要務 傳統的普渡模型以「自動化金字塔」為代表，概略呈現不同層次的網路通訊，這些層次仍然很零碎，可能不可靠且難以維護，尤其是從長遠來看。業界的呼籲已經轉向能夠即時回應市場和商業條件的「自制金字塔」。在這個新設想的架構中，自動化和網路資料流孤島能夠透過通用語義和統一的基礎架構相互通訊。 如圖2所示，這個新的「自制金字塔」將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 圖2　未來的普渡模型將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 小規模、靜態和隔離的控制環路演變成大規模、動態和開放的控制環路通訊，這稱為網路實體系統(CPS)，可將軟體和實體元件緊密結合。 閉環資料以前可以在共同基礎上公開通訊，藉以實現可以透過智慧的方式互相進行新的雙邊資料通訊流量傳輸。 從設備到材料再到人員的所有業務資產都在統一的基礎架構中智慧連接，透過端點對端點的「自主」通訊、協作、反應、適應和優化來滿足各種客戶需求，所有這些都能夠「適時」完成。 製造商透過為多種不同的應用程式(包括自動化、維護、分析等等)使用統一的網路基礎架構，可以實現下列效益： 1.由於不同的終端裝置能夠即時相互通訊，因此配置系統、裝置和應用程式來實現即時回應循環變得相當容易。統一的脈絡導向網路結構也允許進行機器學習，因此從長遠來看，可以運用大數據分析並做出相對應的回應，進一步提高按訂單生產的彈性和效率。 2.改進的資料存取有助於即時進行生產監控，因此可以在不同的情況下建立更高品質、更注重細節的KPI。 3.更強大的網路基礎架構可以支援廠區設備的更多應用，例如計數、分類、品質控制和視訊監控。由於所有即時資料都輸入系統，因此機器不再孤立地工作，而能夠與其他機器協同作業來提高生產力。結合機器人技術和機器感測技術的發展，例如動作引導、擴增實境、機器視覺和觸覺，工廠資產能夠以更低的成本達到優化的效能。 4.標準化技術和可擴展的結構(例如採用乙太網路標準的技術)可達到更大的彈性。透過基礎架構技術和通訊協定的標準化，能夠以與其他模組化單元或擴展類似的方式管理對網路配置構成重大挑戰的拓樸差異。建立、維護和移除分層更具成本效益，而且耗時更少。 實際上，能夠將現今普渡模型中的自動化孤島障礙打破的統一基礎架構將建立連接的實體工業物件系統，而且物件能夠交換並且分析資料，藉以產生有價值的資訊。透過這樣的做法，工業物聯網可以在適當的時間和地點做出正確的決策，藉以將以前預先定義的流程轉變為真正的動態流程。 TSN為工業網路奠定統一基礎 最後，工業自動化和控制系統的未來是關於資訊和網際網路技術的整合(圖3)，這些技術持續滿足高可用性和即時通訊的需求，並且也支援成本和效益達到最佳平衡的新產品和創新解決方案開發。更準確來說，未來的統一網路基礎架構也需要確定性的通訊功能，這些功能可以確保效能和QoS，或甚至優於目前將自動化孤島隔離開的專用通訊協定。值得慶幸的是，標準組織和獨立供應商已經體認到工業4.0的潛在效益，並且共同努力為工業網路奠定新的統一基礎：時效性網路。 圖3　使用統一的網路基礎架構邁向IIoT和工業4.0的道路。 為了滿足統一確定性基礎架構的需求，TSN具備一系列標準，可透過標準乙太網路實現確定性訊息傳遞。根據電機電子工程師學會(IEEE)的定義，TSN涉及一種網路流量管理形式，可確保端點對端點傳輸延遲的確切時間範圍。因此，所有TSN裝置必須將本身的時鐘彼此同步，並使用共同時間參考來支援工業控制應用的即時通訊。雖然TSN標準最初是由IEEE開發而成，但重要的是要體認到TSN已超出主要的IEEE標準，而且這是許多國際組織和公司共同辛勤努力的成果。 早期的標準乙太網路無法保證資料傳輸，而且受到高延遲的影響。因此，需要高網路可靠性和可用性的產業開發本身的專用網路解決方案(例如，改進的乙太網路、Fieldbus)，用於工業控制系統和自動化。為了滿足製造業工業應用的高可用性和低延遲要求，傳統盡力傳送式乙太網路技術必須不斷發展，才能變得更有確定性。 TSN基本上是標準乙太網路技術發展的下一個階段，目的是滿足IIoT未來的需求。除了為乙太網路上的確定性服務提供一套標準之外，TSN也將許多不同的產業組織和市場領導廠商聚集在一起，共同實現工業4.0的全部潛力和數位化效用。 傳統的乙太網路技術通常包括採用盡力傳送式封包傳送的集線器和交換器。在大多數情況下，資料封包會依序成功傳遞，但不保證必定如此。雖然盡力傳送式網路可以充分運用於網頁瀏覽應用，但是工業控制應用需要更高的可用性、零封包遺失和更低的延遲。畢竟，如果不能保證資料封包傳送，關鍵控制資料可能無法適時傳送到正確的位置。 在20世紀80年代，製造商開始從機械或類比技術轉向數位技術時，雖然盡力傳送式乙太網路提供比傳統Fieldbus更高的頻寬，但是，對於需要高精度、可用性和有保證即時傳輸的工業控制系統而言，並不是適合的基礎架構選項。除了當時乙太網路技術的高成本之外，乙太網路重新傳輸演算法和衝突偵測尚無法滿足工業控制系統的效能要求。因此，製造商必須開發專用系統和通訊協定，才能透過確定性網路實現數位化。 不同於盡力傳送式網路，確定性網路支援下列服務： ．時間同步 ．資源保留 ．極低的封包遺失 ．保證端點對端點延遲和頻寬 從乙太網路和工業自動化的早期開始，網路技術已經發生了很大變化。實際上，現代乙太網路技術甚至可以提供確定性服務，滿足以前需要專用系統和通訊協定的許多工業應用需求。由於融合網路的發展趨勢以及頻寬需求的相對應成長，真正確定性乙太網路可能比專用網路更具成本效益並符合未來需求。 為了實現能夠傳輸即時控制以及在工業設施中傳輸音訊/視訊的真正融合網路，IEEE 802.1工作小組的TSN任務群組正在為乙太網路上的確定性資料傳輸界定一套標準。做為一系列標準，TSN更像是一個工具箱，而不是多功能解決方案；要瞭解有哪些「工具」可用，以及每個工具有什麼作用，才能確定哪些工具適合什麼應用。 如表1所述的關鍵通訊協定所示，時效性網路標準主要著重於下列主要方面： 1.時間同步 2.延遲 3.可靠性 4.資源管理 正如名稱「時效性網路」所示，TSN需要所有網路設備採用IEEE 802.1AS(未來的IEEE 802.1AS-Rev)，這會界定定時和同步的標準。畢竟，所有終端裝置和乙太網路交換器之間的共享時間概念是確定性網路的其中一個關鍵特徵。此外，IEEE 802.1Qbv界定裝置須如何根據固定排程傳輸時間關鍵訊框，而且也要為共用相同線路的其他大量流量保留盡力傳送式通訊。除了網路基礎架構本身，TSN也需要一種新方法來處理資料流和需要更複雜計算的相對應需求。因此，IEEE 802.1Qcc界定啟用網路管理新方法的管理介面、機制和原則。 為了便於說明，TSN可以比擬為鐵路系統，列車類似於乙太網路資料訊框(圖4)。在這個例子中，乙太網路交換器和終端裝置就像火車站。想像一下，如果每個火車站顯示不同的當地時間，而不遵循整個系統的嚴格時間表，會發生什麼情況。如果列車從A站出發，而且火車站沒有共同時間參考，乘客如何知道列車何時抵達B站？這個問題正是鐵路開始規定標準鐵路旅客和列車時間的原因，也說明了為什麼工業網路需要時間同步。 圖4　時效性網路幫助工業網路時間同步。 (本文作者為Moxa產品經理)