半導體科技將自動化與智慧化帶入了工業生產線上，讓工業生產的速度與效率大幅提升。儘管因此搶走不少勞工的飯碗令人詬病，然而邁向更先進的自動化產線，甚至是更高一層的無人工廠願景，卻依然是所有工廠企業主汲汲營營追求的目標。

半自動化vs智慧化

NI嵌入式系統專案經理Vineet Aggarwal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。自動化的意義，也就是讓機器能夠知道在什麼地方，該進行怎樣的動作，而不出錯。加入更多的指令之後，能處理的事情就更多，且能更早預期會發生的事。

只不過，機器與人畢竟不同，當人累了會知道需要休息，但機器若沒給予休息的指令，會一直不斷做下去。因此，指令在人的認知裡是理所當然的是，對機器來說卻完全不然。而從自動化到智慧化，其實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，使其提高生產效能、加快測試速度，或者提高機器壽命、並減低人員的傷亡。不同指令給予機器不同程度的進化，然而最終目的，都是希望讓機器的行為更接近人類。

當然，要讓機器高度自動化，甚至智慧化，所需要的指令將會非常龐大。倘若資料量多，資訊處理又分屬於不同的平台，不僅對於整體一致性將產生很大問題，甚至可能會超過核心平台本身的負荷量。

NI行銷經理郭皇志表示，NI針對工業自動化所打造的平台，其設計的初衷就是希望能讓整個系統透過同一個處理核心，來進行訊號的判別與運動的控制。就像人也是透過同一個頭腦去處理所有的事情一樣，如此可將錯誤產生的機率降至最低。

圖一 : 機器人不斷朝高度自動化和智慧化發展，最終目的，都是希望讓機器的行為更接近人類（圖為Georgia Tech機器人中心教授Henrik Christensen，攝影：Gary Meek）

工業自動化3大方向

自動化當然是工廠生產的利器。在工業自動化一途上，有三大重要發展方向。包括性能提升、降低成本、與功能安全。在性能的提升上，目前不論是智慧電網，或者智能化生產工具等，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，關鍵在於單晶片的使用，以及多軸化控制。

特別是多軸控制，過去工廠所使用的機器手臂，多半只有四到五個關節。而未來因應工廠自動化，為了更有效率並降低成本，需要設計結構更為複雜的機器手臂，可以同時間多軸同時工作，而非像過去不同軸只能分時工作。

至於功能安全的強調，其實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。因為自動化產線如果需要經常維修保養，停掉一條產線，將造成很大損失。此外，機器如果經常發生問題，不只設備本身易受損傷，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品，例如FPGA大廠Altera與Xilinx都持續推出工業自動化相關的FPGA參考設計，量測大廠NI也主打以自家LabVIEW圖形化開發軟體為核心的工業自動化開發平台，工業自動化市場正蓬勃發展。

多軸化是產業升級關鍵

在機器人產業中，常見到的機器人種類包括Delta Robot，以及工業產線上的機器手臂。若著眼的是工業自動化市場，則機器手臂就是目前重眾所注目的焦點了。因為工廠自動化能進展到怎樣的程度，就端視機器手臂的技術層級。

Altera亞太區工業業務部市場開發經理江允貴表示，為了提高工業產線的自動化程度，目前機械手臂朝向多軸化發展是最主要的趨勢。多軸化，顧名思義就是在同一隻機械手臂上，有多顆不同馬達同時或分時進行動作，其目的就是為了讓同一個產品，可以在同一條生產線上就完成生產流程的所有工作，不必分多道產線來進行，如此可以節省龐大的人力與時間成本。

圖二 : 汽車製造已高度自動化，在同一條生產線上就完成生產流程的許多工作，而且只需一名管理工程師（圖片來來源：Mercedes Benz）

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，或許同時連動，或許分時動作，然而關鍵就在於能互相配合。也就是某個軸旋轉到了某個特定角度時，另幾個軸都必須到達相對的位置上。其中將會牽涉到多軸旋轉時間差的複雜運算，這也正是擁有並行處理能力的FPGA，比起僅能進行串列處理的CPU或MCU，在工業自動化領域更具有優勢的地方。

江允貴舉例說，例如拿半導體封裝廠的產線來看，進行晶片封裝作業時，機械手臂的運作是非常複雜的，最多可以需求到60多軸的運作。也就是在同一條產線上，若要打好一個封裝，必須同時進行60幾種動作，其中將會牽涉到非常複雜的機械動作。在加工的同時，當一個軸轉到某角度時，其他軸都必須配合到達特定位置上。這種相對的動作，正是機械手臂設計上，最為複雜的部分。又例如直昇機的螺旋槳葉片，切割時必須同時進行五軸的連動。除了機械手臂會自己轉動，切割刀也必須同時旋轉，是非常複雜的多軸同時連動加工。

就工業自動化來說，越多軸的應用，越能把產線加工的層級，再往上提升。透過複雜的多軸加工，可以讓產品更有變化性。這也是工業自動化的趨勢。

機器視覺重要性日增

NI也特別強調機器視覺的重要性。在很多情況下，工廠作業員經常會因為疲勞與人類的錯覺等因素，導致透過人眼檢視容易出現問題。NI技術行銷工程師黃翔鉎說，NI的機器視覺開發模組，便是專為開發佈署機器視覺應用而設計。其中內建數百筆函式，可透過多部相機擷取影像，並透過強化影像、物件定位、識別物件、量測零件，並檢驗物件是否存在，以便影像處理作業。

事實上，在機器手臂上增加感應器，例如加入CCD視訊模組，來讓機器正確動作與定位，或者加入感測器，讓機器的運作變得更靈敏與聰明，是工業自動化重要的發展方向。目前LabVIEW機器視覺開發模組，可透過多部相機與機器視覺軟體來擷取並處理影像，因此可減少維護成本與開發時間，如需更換硬體，也只要匯入現有程式碼即可。

黃翔鉎說，這套開發模組最大優點，就是能以一整套完整的演算法來處理影像，不論是藥品包裝的光學文字辨識（OCR），或是檢驗太陽能面板的瑕疵，都能透過機器視覺開發模組的演算法資料庫，來解決各種機器視覺應用的難題。

圖三 : 機器視覺在生產自動化中扮演重要地位，圖為ADMV的視覺追蹤系統（圖片來源：ADMV）

工業乙太網地位舉足輕重

在一個自動化工廠中，包括工業乙太網（Industrial Networking）、可程式邏輯控制器（PLC）、伺服驅動器、IO、HMI等，都是極受重視的項目。以台灣出口產品中最知名的工具機台（CNC）為例，一個完整的車床、洗床、磨床等，幾乎涵蓋了以上的所有關鍵元件。

在這些關鍵元件中，工業乙太網的角色舉足輕重。因為在工廠自動化產線上，資訊的傳遞都是透過工業乙太網來進行連結。工業乙太網不只能用於工業自動化，包括運動控制、智慧電網、高鐵車廂、捷運閘門連貫、紡織機、工具機等，都是工業乙太網的應用範圍。

工業乙太網的傳輸線與一般PC所使用的乙太網路線相同。傳統的工業傳輸線路，包括位址線、資料線與控制線等，必須採用一大捆的並行線路，但透過工業乙太網，只需要一條線就可以傳送命令來控制資料，不需要使用數量龐大的線材。而工業乙太網也擁有工業應用所需要的容餘、以及時間定時管理等功能，儘管工業乙太網與家用的PC乙太網並非完全相同，然而其精神是一致的。

江允貴說，對於工業乙太網，各家大廠都推出自有標準。例如西門子的自有標準為ProFi NET、美國的ROCK WELL標準叫做EtherNet IP、德國Beckhoff推的是EtherCAT、奧地利的B&R則主推Ethernet Powerlink，每家大廠都推出自有的協定，其心態無非希望市場都來使用自家的協定，如此一來，可以球員兼裁判，但也導致市場的標準紛亂無章。

各家廠商儘管都有自家標準，但為了市場佔有率，也必須支持其他廠商的協定。只是工業乙太網標準如此繁多，又該怎麼做？

目前市場上存在許多解決方法，例如採用ASIC，但只能選擇固定種類的協定。有些廠商則將各種不同協定做成小型的模組，因應客戶需求，更改模組來支援不同協定。但缺點是必須針對不同協定，做出多種模組，不只成本提高，在管理上也不具靈活性。這些方式，儘管都能解決問題，但都不是最佳的方案。

江允貴指出，其實要解決這些問題，需要一顆FPGA就夠了。FPGA由於是可程式邏輯晶片，因此要什麼協定，只需要把該協定的IP寫入FPGA裡就能支援一次搞定，完全擁有彈性與靈活性。

無人工廠不是夢

從自動化到智慧化，工業生產線的終極目標，就是要能打造出真正無人的作業環境。然而這究竟只是個夢想，還是真有實現的一天呢？其實一般來說，機器都需要透過人類的程式撰寫，使其進行動作。目前已有許多機器人，開始擁有智能學習的能力，可以透過經驗來使其更進化。

郭皇志說，讓機器有學習功能，其實是很不容易的事，然而這都已經可以做到了。反觀要達到工廠的自動化，其實比讓機器自我學習，還要來得容易許多。從這樣的觀點來看，全自動化的無人工廠，並非遙不可及的夢想。

其實目前許多工廠都已陸續在部分區域，採用無人化的全機器運作。這顯然已經是無人工廠的初步實現，未來廠房無人化的區域勢必將不斷增加，讓更多工作都可以交由機器來完成。