本文章內容由「亞德諾半導體 ADI」提供。
很多新創公司第一個辦公室來自家裡的車庫，大家熟知的蘋果、Google、Amazon 這幾家傳奇公司都是典型案例。有時他們的創業故事，甚至比產品更讓人津津樂道。而有一家比上述企業都還長壽的半導體科技大廠：亞德諾半導體 Analog Devices（簡稱 ADI），創立之初同樣來自簡陋的小房間，1965 年，兩位創辦人 Ray Stata 和 Matthew Lorber，在麻省劍橋市租下一層公寓大樓的地下室。從簡陋實驗室開始，兩人一磚一瓦，建築起他們的工程王國。根據統計，全球 500 强公司的平均壽命約 47 年，如今 ADI 已超過半世紀之久。它現在不僅是一家市值 300 億美元企業，更是全球半導體行業中，堪稱最卓越的龍頭供應商之一。
ADI 工業自動化事業部總經理 Brendan O’Dowd 談邁向工業 4.0 之路
工業 4.0 的趨勢並不是現在才發生的熱潮。早在 2016 年時，就已經有多國政府體認到產業界若能依循工業 4.0 的各項原則來進行轉型，將有助於消弭生產力的落差，特別是在歐洲/中東/非洲地區，各國的工業 4.0 計畫提供許多激勵因素，促使著業界著手：
- 針對工業 4.0 技術進行投資
- 進行相關研究與開發
- 增進工廠以及大專院校對於工業 4.0 的知識與認知
這方面的發展至今已演變成全球趨勢，並開始匯集許多以往分門別類的學科，像是 IT、設計/開發、生產力、資料庫管理、安全、以及其他領域。
ADI 作為解決方案導向的半導體廠商，長期以來持續根據客戶需求提供工業 4.0 相關的技術，如狀態監測（condition-based monitoring）以及工業乙太網路等。
儘管工業 4.0 的發展是由政府主導推動，但產業界在開拓每一種經濟疆界時，也面臨著相同的機會以及風險。製造商不能放著生產線不動，也承受不起錯失第一波商機的結果。在此同時，面臨的風險可能是今日挹注大筆投資，但產品卻快速下市而無法回收成本。
過渡至工業 4.0 不光只是規劃與安裝設備或興建新廠房，關鍵是根本顛覆製造商營運的方式。尤其是需要擴展各領域的知識，包括軟體、安全、以及 IT 等，這也導致製造商面臨艱難的取捨與選擇，包括從哪裡著手投資、找誰合作、以及如何確保組織的靈活性等。
建置數位/工業 4.0 工廠時的關鍵要素為何?
工業 4.0 的關鍵促成因素是一個整合通訊網路，能支援整個工廠的串連。工業 4.0 的精髓在於資料以及從資料中萃取出的情資。然而第一步必須先從機器、營運技術（OT）、以及企業（像是IT）運算系統傳送出資料之後，才能進行後續的資料運用。
我們估計工廠連結的骨幹會是一種確定性（deterministic）乙太網路。目前業界採用許多種工業乙太網路協定，但若能針對時間敏感網路（TSN）的乙太網路協定推動標準化，各界能獲得許多層面的重大利益。製造商也應在支援TSN解決方案中融入其他改進功能的發展藍圖，藉以確保其網路投資能融入於長期計畫中。
產業自動化的工業 4.0 轉型應該是什麼樣貌？
投資工業 4.0 的目的，在於從勞力密集升級到更精密的自動化基礎設施。這種邁向工業自動化新途徑一些共同特點逐漸浮現。
- 重複性工作現在都由稱為 cobot 的協作式機器人執行，這些體積較小的機器人會和人類合力完成工作。而傳統大型工業機器人的產業仍穩健發展與成長，新穎的協作式機器人市場尚處於成長的初期階段。
- 僵化的集中控制架構，正被去中心化且彈性的工廠取代。在這類新工廠中，機器人會和許多其他系統聯繫運作，其中包括 PLC 控制器以及大量的感測器與致動器。這些機具或裝置會被指派為輸入或輸出端。ADI 所開發的一項創新技術 –軟體可設定 I/O– 能全面選擇與設定許多類型的輸入與輸出裝置。這讓客戶能輕易安裝與重設其自動化設備。許多製造商在採用軟體可設定 I/O 後，獲得的效益包括：安裝時間能縮減8週；節省工程成本；以及大幅縮減工廠空間的需求。此外，工廠的生產流程也能輕易調整與變動，以往得花數小時的調整工作現在只須幾分鐘就能完成。
- 預測性維護以及狀態監測有助改進整個工廠的生產力與可靠度。像是振動模式等運作參數能透露出機件磨損的先期徵兆，讓業者提早在失效或停機之前維修機器。這個例子充分反映出工業 4.0 系統中精準感測器量測、智慧資料分析、以及高頻寬網路的重要性。成功實作預測性維護涉及到的不僅只限於底層技術 – 還涉及自動化與工業機具操作的深度知識，如此方有能力開發出演算法與軟體，將機器的健康資料轉化為營運的情資。
感測器與軟體在工業 4.0 環境中的演進
感測器產生的是未經處理的初始資料；軟體則會將資料轉化為可供行動依據的資訊。如先前預測性維護的例子所述，在數位化、連網化的工廠中，必須讓感測器與軟體進行整合後才能帶來價值。
在負責監視機器健康狀況的系統中，感測器會持續產生震動、溫度、以及其他參數的量測資料。訊號處理技術則負責將串流資料轉成可進行分析的格式，像是消除雜訊與失真，然後再進行線性化（linearizing）後執行輸出。
軟體與分析機制負責將資料轉化為資訊，流程包括辨識多個來源資料的關聯性；偵測異常模式；以及找出與定位實際或潛在的失效。
結合兩端–感測器的實體世界、以及軟體的數位世界–需要兩個不同領域的專業知識，包括：
- 技術專家
- 特定領域或應用的專業
ADI 挹注了可觀資源來針對產業界提供特定領域協助，以及發展本身在類比與數位電子的專業。因此當客戶開始推動工業 4.0 計畫時，就已經有能力提供寶貴的見解，並協助他們瞭解該如何運用技術，藉以從營運中獲取利益。
ADI 的技術在工業 4.0 方面所提供的支援及協助
工業 4.0 的關鍵在於建構與使用虛實融合（cyber-physical）系統，開拓各種新的可能性。這方面必須立基於能運用新方式來銜接實體與數位世界，Analog Devices 在這個領域的發展已累積超過 50 年的經驗。
但 Analog Devices 並不是一般的半導體公司 : 我們開拓矽晶技術的疆界，並在我們經營的關鍵市場挹注大筆投資發展軟體、系統專業、以及特定領域知識。我們將這方面的知識融入無與倫比的類比至數位功能，藉以執行感測、量測、轉譯、連結、供電、以及防護等工作。我們從系統層級入手因應業界面臨的各項挑戰，協助客戶找到最適途徑、達成目標。
給考慮推動工廠數位化主管的建議
盡可能預先規劃到最遙遠的未來。
我們很容易被當前工業 4.0 的認知所侷限。事實上，許多今日的投資影響到未來 15 至 20 年，因此新系統或技術必須有較長的生命週期。
這意謂著:
- 在挑選可擴充連結技術時，應採用標準解決方案，捨棄專利型系統
- 指定強固的感測器，不僅應有極長的運作壽命，還要提供精準的量測資料
邁向更數位化目標跨出每一步時，連網工廠也會面臨到更多網路攻擊的威脅，因此主管在評估工業 4.0 計畫時，安全會是另一項關鍵的優先要務。
優化安全必須採取系統層級的模式，不能只考慮到特定裝置或端點的需求。安全必須覆蓋到整個系統的每個層面 – 涵蓋邊緣裝置、控制器、閘道器、或進一步延伸到整個堆疊。在開始專注在網路中任一端點 「如何」運作之前，應先專注的問題應該是 「何處」以及「多少」。
這方面應考量到每個端點面臨的威脅層級，以及反制威脅須付出的成本，還有在付出最少的電力、效能、延遲等代價之下，加入有效的安全機制。建議採取分層模式，可達到極佳的整體防護力。
對於明智的製造商而言，應投入時間與資源，選擇內生成長（organically）或借助外力的策略，透過選擇如 ADI 之夥伴，依循系統層級的途徑，進而擴展超越機器以外的安全專業。
