半導體科技將自動(dòng)化與智能化帶入了工業(yè)生產(chǎn)在線(xiàn)，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(xiàn)，甚至是更高一層的無(wú)人工廠(chǎng)愿景，卻依然是所有工廠(chǎng)企業(yè)主汲汲營(yíng)營(yíng)追求的目標。

　　半自動(dòng)化vs智能化

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

　　只不過(guò)，機器與人畢竟不同，當人累了會(huì )知道需要休息，但機器若沒(méi)給予休息的指令，會(huì )一直不斷做下去。因此，指令在人的認知里是理所當然的是，對機器來(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、加快測試速度，或者提高機器壽命、并減低人員的傷亡。不同指令給予機器不同程度的進(jìn)化，然而最終目的，都是希望讓機器的行為更接近人類(lèi)。

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

　　NI營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理郭皇志表示，NI針對工業(yè)自動(dòng)化所打造的平臺，其設計的初衷就是希望能讓整個(gè)系統透過(guò)同一個(gè)處理核心，來(lái)進(jìn)行訊號的判別與運動(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，如此可將錯誤產(chǎn)生的機率降至最低。

　　工業(yè)自動(dòng)化3大方向

　　自動(dòng)化當然是工廠(chǎng)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，都強調高性能，包括節能減碳、更有效率等，以達到節能減碳的目的。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(chǎng)所使用的機器手臂，多半只有四到五個(gè)關(guān)節。而未來(lái)因應工廠(chǎng)自動(dòng)化，為了更有效率并降低成本，需要設計結構更為復雜的機器手臂，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。

　　至于功能安全的強調，其實(shí)是廣義生命安全的保障，這已是世界的趨勢。也就是如何保護機器不損壞，人員不傷亡。因為自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)如果需要經(jīng)常維修保養，停掉一條產(chǎn)線(xiàn)，將造成很大損失。此外，機器如果經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題，不只設備本身易受損傷，也易造成人員傷害。

　　目前許多廠(chǎng)商都主推能滿(mǎn)足這些需求的產(chǎn)品，例如FPGA大廠(chǎng)Altera與Xilinx都持續推出工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)的FPGA參考設計，量測大廠(chǎng)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，工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展。

　　多軸化是產(chǎn)業(yè)升級關(guān)鍵

　　在機器人產(chǎn)業(yè)中，常見(jiàn)到的機器人種類(lèi)包括DeltaRobot，以及工業(yè)產(chǎn)在線(xiàn)的機器手臂。若著(zhù)眼的是工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，則機器手臂就是目前重眾所注目的焦點(diǎn)了。因為工廠(chǎng)自動(dòng)化能進(jìn)展到怎樣的程度，就端視機器手臂的技術(shù)層級。

　　Altera亞太區工業(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(xiàn)的自動(dòng)化程度，目前機械手臂朝向多軸化發(fā)展是最主要的趨勢。多軸化，顧名思義就是在同一只機械手臂上，有多顆不同馬達同時(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(xiàn)就完成生產(chǎn)流程的所有工作，不必分多道產(chǎn)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行，如此可以節省龐大的人力與時(shí)間成本。

　　只是，為了達到多軸化的目的，機械手臂上的馬達軸數就必須非常多。這些不同的馬達，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)軸旋轉到了某個(gè)特定角度時(shí)，另幾個(gè)軸都必須到達相對的位置上。其中將會(huì )牽涉到多軸旋轉時(shí)間差的復雜運算，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)勢的地方。

　　江允貴舉例說(shuō)，例如拿半導體封裝廠(chǎng)的產(chǎn)線(xiàn)來(lái)看，進(jìn)行芯片封裝作業(yè)時(shí)，機械手臂的運作是非常復雜的，最多可以需求到60多軸的運作。也就是在同一條產(chǎn)在線(xiàn)，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 )牽涉到非常復雜的機械動(dòng)作。在加工的同時(shí)，當一個(gè)軸轉到某角度時(shí)，其他軸都必須配合到達特定位置上。這種相對的動(dòng)作，正是機械手臂設計上，最為復雜的部分。又例如直升機的螺旋槳葉片，切割時(shí)必須同時(shí)進(jìn)行五軸的連動(dòng)。除了機械手臂會(huì )自己轉動(dòng)，切割刀也必須同時(shí)旋轉，是非常復雜的多軸同時(shí)連動(dòng)加工。

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

　　機器視覺(jué)重要性日增

　　NI也特別強調機器視覺(jué)的重要性。在很多情況下，工廠(chǎng)作業(yè)員經(jīng)常會(huì )因為疲勞與人類(lèi)的錯覺(jué)等因素，導致透過(guò)人眼檢視容易出現問(wèn)題。NI技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師黃翔鉎說(shuō)，NI的機器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，便是專(zhuān)為開(kāi)發(fā)布署機器視覺(jué)應用而設計。其中內建數百筆函式，可透過(guò)多部相機擷取影像，并透過(guò)強化影像、對象定位、識別對象、量測零件，并檢驗對象是否存在，以便圖像處理作業(yè)。

　　事實(shí)上，在機器手臂上增加傳感器，例如加入CCD視訊模塊，來(lái)讓機器正確動(dòng)作與定位，或者加入傳感器，讓機器的運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機器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，可透過(guò)多部相機與機器視覺(jué)軟件來(lái)擷取并處理影像，因此可減少維護成本與開(kāi)發(fā)時(shí)間，如需更換硬件，也只要匯入現有程序代碼即可。

　　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(OCR)，或是檢驗太陽(yáng)能面板的瑕疵，都能透過(guò)機器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊的算法數據庫，來(lái)解決各種機器視覺(jué)應用的難題。

　　在一個(gè)自動(dòng)化工廠(chǎng)中，包括工業(yè)以太網(wǎng)(IndustrialNetworking)、可程序邏輯控制器(PLC)、伺服驅動(dòng)器、IO、HMI等，都是極受重視的項目。以臺灣出口產(chǎn)品中最知名的工具機臺(CNC)為例，一個(gè)完整的車(chē)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。因為在工廠(chǎng)自動(dòng)化產(chǎn)在線(xiàn)，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，包括運動(dòng)控制、智能電網(wǎng)、高鐵車(chē)廂、捷運閘門(mén)連貫、紡織機、工具機等，都是工業(yè)以太網(wǎng)的應用范圍。

　　工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸線(xiàn)與一般PC所使用的以太網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)相同。傳統的工業(yè)傳輸線(xiàn)路，包括地址線(xiàn)、數據線(xiàn)與控制線(xiàn)等，必須采用一大捆的并行線(xiàn)路，但透過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，只需要一條線(xiàn)就可以傳送命令來(lái)控制數據，不需要使用數量龐大的線(xiàn)材。而工業(yè)以太網(wǎng)也擁有工業(yè)應用所需要的容余、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)，對于工業(yè)以太網(wǎng)，各家大廠(chǎng)都推出自有標準。例如西門(mén)子的自有標準為ProFiNET、美國的ROCKWELL標準叫做EtherNetIP、德國B(niǎo)eckhoff推的是EtherCAT、奧地利的B&R則主推EthernetPowerlink，每家大廠(chǎng)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，但也導致市場(chǎng)的標準紛亂無(wú)章。

　　各家廠(chǎng)商盡管都有自家標準，但為了市場(chǎng)占有率，也必須支持其他廠(chǎng)商的協(xié)議。只是工業(yè)以太網(wǎng)標準如此繁多，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(lèi)的協(xié)議。有些廠(chǎng)商則將各種不同協(xié)議做成小型的模塊，因應客戶(hù)需求，更改模塊來(lái)支持不同協(xié)議。但缺點(diǎn)是必須針對不同協(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(chǎng)不是夢(mèng)

　　從自動(dòng)化到智能化，工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的終極目標，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)現的一天呢?其實(shí)一般來(lái)說(shuō)，機器都需要透過(guò)人類(lèi)的程序撰寫(xiě)，使其進(jìn)行動(dòng)作。目前已有許多機器人，開(kāi)始擁有智能學(xué)習的能力，可以透過(guò)經(jīng)驗來(lái)使其更進(jìn)化。

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

　　其實(shí)目前許多任務(wù)廠(chǎng)都已陸續在部分區域，采用無(wú)人化的全機器運作。這顯然已經(jīng)是無(wú)人工廠(chǎng)的初步實(shí)現，未來(lái)廠(chǎng)房無(wú)人化的區域勢必將不斷增加，讓更多任務(wù)作都可以交由機器來(lái)完成。