半導(dǎo)體科技將自動(dòng)化與智能化帶入了工業(yè)生產(chǎn)在線，讓工業(yè)生產(chǎn)的速度與效率大幅提升。盡管因此搶走不少勞工的飯碗令人詬病，然而邁向更先進(jìn)的自動(dòng)化產(chǎn)線，甚至是更高一層的無(wú)人工廠愿景，卻依然是所有工廠企業(yè)主汲汲營(yíng)營(yíng)追求的目標(biāo)。

半自動(dòng)化vs智能化

NI嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理VineetAggarwal指出，機(jī)器與人不同，想要讓機(jī)器順利運(yùn)作，就必須給予一堆指令。自動(dòng)化的意義，也就是讓機(jī)器能夠知道在什么地方，該進(jìn)行怎樣的動(dòng)作，而不出錯(cuò)。加入更多的指令之后，能處理的事情就更多，且能更早預(yù)期會(huì)發(fā)生的事。

只不過(guò)，機(jī)器與人畢竟不同，當(dāng)人累了會(huì)知道需要休息，但機(jī)器若沒(méi)給予休息的指令，會(huì)一直不斷做下去。因此，指令在人的認(rèn)知里是理所當(dāng)然的是，對(duì)機(jī)器來(lái)說(shuō)卻完全不然。而從自動(dòng)化到智能化，其實(shí)就是不斷給予更多的指令，讓機(jī)器能更有效率地做出更正確的前期判斷，使其提高生產(chǎn)效能、加快測(cè)試速度，或者提高機(jī)器壽命、并減低人員的傷亡。不同指令給予機(jī)器不同程度的進(jìn)化，然而最終目的，都是希望讓機(jī)器的行為更接近人類。

當(dāng)然，要讓機(jī)器高度自動(dòng)化，甚至智能化，所需要的指令將會(huì)非常龐大。倘若數(shù)據(jù)量多，信息處理又分屬于不同的平臺(tái)，不僅對(duì)于整體一致性將產(chǎn)生很大問(wèn)題，甚至可能會(huì)超過(guò)核心平臺(tái)本身的負(fù)荷量。

NI營(yíng)銷經(jīng)理郭皇志表示，NI針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化所打造的平臺(tái)，其設(shè)計(jì)的初衷就是希望能讓整個(gè)系統(tǒng)透過(guò)同一個(gè)處理核心，來(lái)進(jìn)行訊號(hào)的判別與運(yùn)動(dòng)的控制。就像人也是透過(guò)同一個(gè)頭腦去處理所有的事情一樣，如此可將錯(cuò)誤產(chǎn)生的機(jī)率降至最低。

工業(yè)自動(dòng)化3大方向

自動(dòng)化當(dāng)然是工廠生產(chǎn)的利器。在工業(yè)自動(dòng)化一途上，有三大重要發(fā)展方向。包括性能提升、降低成本、與功能安全。在性能的提升上，目前不論是智能電網(wǎng)，或者智能化生產(chǎn)工具等，都強(qiáng)調(diào)高性能，包括節(jié)能減碳、更有效率等，以達(dá)到節(jié)能減碳的目的。在降低成本上，關(guān)鍵在于單芯片的使用，以及多軸化控制。

特別是多軸控制，過(guò)去工廠所使用的機(jī)器手臂，多半只有四到五個(gè)關(guān)節(jié)。而未來(lái)因應(yīng)工廠自動(dòng)化，為了更有效率并降低成本，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的機(jī)器手臂，可以同時(shí)間多軸同時(shí)工作，而非像過(guò)去不同軸只能分時(shí)工作。

至于功能安全的強(qiáng)調(diào)，其實(shí)是廣義生命安全的保障，這已是世界的趨勢(shì)。也就是如何保護(hù)機(jī)器不損壞，人員不傷亡。因?yàn)樽詣?dòng)化產(chǎn)線如果需要經(jīng)常維修保養(yǎng)，停掉一條產(chǎn)線，將造成很大損失。此外，機(jī)器如果經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題，不只設(shè)備本身易受損傷，也易造成人員傷害。

目前許多廠商都主推能滿足這些需求的產(chǎn)品，例如FPGA大廠Altera與Xilinx都持續(xù)推出工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)的FPGA參考設(shè)計(jì)，量測(cè)大廠NI也主打以自家LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)軟件為核心的工業(yè)自動(dòng)化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展。

多軸化是產(chǎn)業(yè)升級(jí)關(guān)鍵

在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中，常見(jiàn)到的機(jī)器人種類包括DeltaRobot，以及工業(yè)產(chǎn)在線的機(jī)器手臂。若著眼的是工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，則機(jī)器手臂就是目前重眾所注目的焦點(diǎn)了。因?yàn)楣S自動(dòng)化能進(jìn)展到怎樣的程度，就端視機(jī)器手臂的技術(shù)層級(jí)。

Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)部市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理江允貴表示，為了提高工業(yè)產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，目前機(jī)械手臂朝向多軸化發(fā)展是最主要的趨勢(shì)。多軸化，顧名思義就是在同一只機(jī)械手臂上，有多顆不同馬達(dá)同時(shí)或分時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，其目的就是為了讓同一個(gè)產(chǎn)品，可以在同一條生產(chǎn)在線就完成生產(chǎn)流程的所有工作，不必分多道產(chǎn)線來(lái)進(jìn)行，如此可以節(jié)省龐大的人力與時(shí)間成本。

只是，為了達(dá)到多軸化的目的，機(jī)械手臂上的馬達(dá)軸數(shù)就必須非常多。這些不同的馬達(dá)，或許同時(shí)連動(dòng)，或許分時(shí)動(dòng)作，然而關(guān)鍵就在于能互相配合。也就是某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)到了某個(gè)特定角度時(shí)，另幾個(gè)軸都必須到達(dá)相對(duì)的位置上。其中將會(huì)牽涉到多軸旋轉(zhuǎn)時(shí)間差的復(fù)雜運(yùn)算，這也正是擁有并行處理能力的FPGA，比起僅能進(jìn)行串行處理的CPU或MCU，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域更具有優(yōu)勢(shì)的地方。

江允貴舉例說(shuō)，例如拿半導(dǎo)體封裝廠的產(chǎn)線來(lái)看，進(jìn)行芯片封裝作業(yè)時(shí)，機(jī)械手臂的運(yùn)作是非常復(fù)雜的，最多可以需求到60多軸的運(yùn)作。也就是在同一條產(chǎn)在線，若要打好一個(gè)封裝，必須同時(shí)進(jìn)行60幾種動(dòng)作，其中將會(huì)牽涉到非常復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作。在加工的同時(shí)，當(dāng)一個(gè)軸轉(zhuǎn)到某角度時(shí)，其他軸都必須配合到達(dá)特定位置上。這種相對(duì)的動(dòng)作，正是機(jī)械手臂設(shè)計(jì)上，最為復(fù)雜的部分。又例如直升機(jī)的螺旋槳葉片，切割時(shí)必須同時(shí)進(jìn)行五軸的連動(dòng)。除了機(jī)械手臂會(huì)自己轉(zhuǎn)動(dòng)，切割刀也必須同時(shí)旋轉(zhuǎn)，是非常復(fù)雜的多軸同時(shí)連動(dòng)加工。

就工業(yè)自動(dòng)化來(lái)說(shuō)，越多軸的應(yīng)用，越能把產(chǎn)線加工的層級(jí)，再往上提升。透過(guò)復(fù)雜的多軸加工，可以讓產(chǎn)品更有變化性。這也是工業(yè)自動(dòng)化的趨勢(shì)。

機(jī)器視覺(jué)重要性日增

NI也特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器視覺(jué)的重要性。在很多情況下，工廠作業(yè)員經(jīng)常會(huì)因?yàn)槠谂c人類的錯(cuò)覺(jué)等因素，導(dǎo)致透過(guò)人眼檢視容易出現(xiàn)問(wèn)題。NI技術(shù)營(yíng)銷工程師黃翔鉎說(shuō)，NI的機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，便是專為開(kāi)發(fā)布署機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。其中內(nèi)建數(shù)百筆函式，可透過(guò)多部相機(jī)擷取影像，并透過(guò)強(qiáng)化影像、對(duì)象定位、識(shí)別對(duì)象、量測(cè)零件，并檢驗(yàn)對(duì)象是否存在，以便圖像處理作業(yè)。

事實(shí)上，在機(jī)器手臂上增加傳感器，例如加入CCD視訊模塊，來(lái)讓機(jī)器正確動(dòng)作與定位，或者加入傳感器，讓機(jī)器的運(yùn)作變得更靈敏與聰明，是工業(yè)自動(dòng)化重要的發(fā)展方向。目前LabVIEW機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，可透過(guò)多部相機(jī)與機(jī)器視覺(jué)軟件來(lái)擷取并處理影像，因此可減少維護(hù)成本與開(kāi)發(fā)時(shí)間，如需更換硬件，也只要匯入現(xiàn)有程序代碼即可。

黃翔鉎說(shuō)，這套開(kāi)發(fā)模塊最大優(yōu)點(diǎn)，就是能以一整套完整的算法來(lái)處理影像，不論是藥品包裝的光學(xué)文字辨識(shí)(OCR)，或是檢驗(yàn)太陽(yáng)能面板的瑕疵，都能透過(guò)機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊的算法數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)解決各種機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的難題。

工業(yè)以太網(wǎng)地位舉足輕重

在一個(gè)自動(dòng)化工廠中，包括工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialNetworking)、可程序邏輯控制器(PLC)、伺服驅(qū)動(dòng)器、IO、HMI等，都是極受重視的項(xiàng)目。以臺(tái)灣出口產(chǎn)品中最知名的工具機(jī)臺(tái)(CNC)為例，一個(gè)完整的車床、洗床、磨床等，幾乎涵蓋了以上的所有關(guān)鍵組件。

在這些關(guān)鍵組件中，工業(yè)以太網(wǎng)的角色舉足輕重。因?yàn)樵诠S自動(dòng)化產(chǎn)在線，信息的傳遞都是透過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行鏈接。工業(yè)以太網(wǎng)不只能用于工業(yè)自動(dòng)化，包括運(yùn)動(dòng)控制、智能電網(wǎng)、高鐵車廂、捷運(yùn)閘門(mén)連貫、紡織機(jī)、工具機(jī)等，都是工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍。

工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸線與一般PC所使用的以太網(wǎng)絡(luò)線相同。傳統(tǒng)的工業(yè)傳輸線路，包括地址線、數(shù)據(jù)線與控制線等，必須采用一大捆的并行線路，但透過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，只需要一條線就可以傳送命令來(lái)控制數(shù)據(jù)，不需要使用數(shù)量龐大的線材。而工業(yè)以太網(wǎng)也擁有工業(yè)應(yīng)用所需要的容余、以及時(shí)間定時(shí)管理等功能，盡管工業(yè)以太網(wǎng)與家用的PC以太網(wǎng)并非完全相同，然而其精神是一致的。

江允貴說(shuō)，對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)，各家大廠都推出自有標(biāo)準(zhǔn)。例如西門(mén)子的自有標(biāo)準(zhǔn)為ProFiNET、美國(guó)的ROCKWELL標(biāo)準(zhǔn)叫做EtherNetIP、德國(guó)Beckhoff推的是EtherCAT、奧地利的B&R則主推EthernetPowerlink，每家大廠都推出自有的協(xié)議，其心態(tài)無(wú)非希望市場(chǎng)都來(lái)使用自家的協(xié)議，如此一來(lái)，可以球員兼裁判，但也導(dǎo)致市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)紛亂無(wú)章。

各家廠商盡管都有自家標(biāo)準(zhǔn)，但為了市場(chǎng)占有率，也必須支持其他廠商的協(xié)議。只是工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如此繁多，又該怎么做?

目前市場(chǎng)上存在許多解決方法，例如采用ASIC，但只能選擇固定種類的協(xié)議。有些廠商則將各種不同協(xié)議做成小型的模塊，因應(yīng)客戶需求，更改模塊來(lái)支持不同協(xié)議。但缺點(diǎn)是必須針對(duì)不同協(xié)議，做出多種模塊，不只成本提高，在管理上也不具靈活性。這些方式，盡管都能解決問(wèn)題，但都不是最佳的方案。

江允貴指出，其實(shí)要解決這些問(wèn)題，需要一顆FPGA就夠了。FPGA由于是可程序邏輯芯片，因此要什么協(xié)議，只需要把該協(xié)議的IP寫(xiě)入FPGA里就能支持一次搞定，完全擁有彈性與靈活性。

無(wú)人工廠不是夢(mèng)

從自動(dòng)化到智能化，工業(yè)生產(chǎn)線的終極目標(biāo)，就是要能打造出真正無(wú)人的作業(yè)環(huán)境。然而這究竟只是個(gè)夢(mèng)想，還是真有實(shí)現(xiàn)的一天呢?其實(shí)一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器都需要透過(guò)人類的程序撰寫(xiě)，使其進(jìn)行動(dòng)作。目前已有許多機(jī)器人，開(kāi)始擁有智能學(xué)習(xí)的能力，可以透過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)使其更進(jìn)化。

郭皇志說(shuō)，讓機(jī)器有學(xué)習(xí)功能，其實(shí)是很不容易的事，然而這都已經(jīng)可以做到了。反觀要達(dá)到工廠的自動(dòng)化，其實(shí)比讓機(jī)器自我學(xué)習(xí)，還要來(lái)得容易許多。從這樣的觀點(diǎn)來(lái)看，全自動(dòng)化的無(wú)人工廠，并非遙不可及的夢(mèng)想。

其實(shí)目前許多任務(wù)廠都已陸續(xù)在部分區(qū)域，采用無(wú)人化的全機(jī)器運(yùn)作。這顯然已經(jīng)是無(wú)人工廠的初步實(shí)現(xiàn)，未來(lái)廠房無(wú)人化的區(qū)域勢(shì)必將不斷增加，讓更多任務(wù)作都可以交由機(jī)器來(lái)完成。