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工業4.0發生在即 MEMS感測肩負重任
感測能力是智慧工廠的第一步

【作者: 王岫晨】   2018年11月14日 星期三

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在工業市場上,一種典範式的轉變正在發生,這正是工業4.0的自動化生產革命。一般人或許不太知道工業4.0是什麼。我們可以說工業4.0就是一種工業物聯網、智能工廠、或是一種智能化的生產網絡。事實上,工業4.0指的就是一種工業生產的價值鏈,以及商品生產數位化與網路化的全球化趨勢。


強化製造業競爭力

而面對這樣的全球趨勢,各國政府大多必須採行一些相關策略,來強化製造業的競爭力。這些策略通常結合了技術供應商與工廠客戶等不同角度的觀點,來針對工業自動化與工廠產線實施最佳化工程。在這樣的過程中,通常技術供應商會將最新的技術應用於他們自己的工廠中,以及產品的生產過程上,來深入瞭解其產品的性能。另一方面,則是將這些解決方案提供給市場上的客戶,來為他們解決實際生產上的問題。


從工廠客戶的角度來看,數據資料、通訊技術與傳統高科技方法之間的整合,主要目的都是為了要能提高生產效率。為了實現這樣的目的,就必須要滿足由市場趨勢與市場複雜度增加所衍生而出的新挑戰。而從解決方案供應商的角度來看,為新市場設計智能化技術和解決方案,並且接著為這些市場提供服務非常重要。為了要滿足供應商和製造商的需求,就需要採取能夠兼顧這兩種不同觀點的產品策略。


智慧工廠從自身做起

目前許多半導體廠商在發展相關的工業4.0解決方案,都已是採用這樣的策略來滿足多方的不同需求,例如ADI、ST、ROHM等都是其中最好的範例廠商。以針對工業4.0的產品策略來看,面對這樣複雜的概念,對這些廠商來說最好的策略,就是將自家生產線轉換成為全自動的智能工廠,也就是在自家先實現工業4.0的實做。此外,這些半導體解決方案製造商,還為其他工業生產客戶提供創新技術,協助這些廠商將生產設備轉變成為智能化工廠。



圖1 :  從工廠客戶的角度來看,數據資料、通訊技術與傳統高科技方法之間的整合,主要目的都是為了要能提高生產效率。
圖1 : 從工廠客戶的角度來看,數據資料、通訊技術與傳統高科技方法之間的整合,主要目的都是為了要能提高生產效率。

當然,這樣的過程中,半導體解決方案供應商會遭遇很多的挑戰。當客戶開始決定是否將其製造設施轉變為智能工廠,也意味著他們將著重於提高生產率,同時降低成本。工業4.0將為中小企業客戶提供附加價值,而對於半導體製造商而言,他必須滿足客戶三種需求:新技術、新產品和新商業模式。這三個需求同時涵蓋了生產及產品的價值鏈,從感測器節點開始,透過雲端,再到下游的服務。


在轉變成為智能工廠的過程中,強烈地需要智能化和節能化,更確切地說,是能夠完全自主的系統,可以透過簡單的方式整合到現有的生產結構中。這些系統則是由各種半導體元件和感測器所組成,它們與類比及數位訊號處理IC相互結合。工業4.0的價值鏈就從這些設備開始。首先,感測器負責從真實的世界收集資料,然後再轉換和處理數位領域內的數據。


MEM感測器需提供隨插即用能力

隨著工業4.0價值鏈的發展,市場需求就需要改變。這就是為什麼半導體製造商必須調整自身的策略以及產品,以實現智能工廠的客戶需求。目前技術趨勢正朝著智能和節能的產品方向發展,兼具整合性與安全性,並保障其功能以及能量收集能力。ADI的MEMS加速度計和陀螺儀解決方案,可為設計人員提供獨立元件和即插即用的iSensor MEMS子系統。這種iSensor MEMS IMU是高度整合的多軸解決方案,結合了迴轉儀、加速度計、磁力計、壓力傳感器和其他技術,可在動態條件下實現高自由度應用。


至於ADI的數位溫度感測器,則可以在很寬的溫度範圍內,實現高達±0.25℃的精準度,NIST可追溯,並且可以隨插即用,無需額外的信號調理或校準,可以精確的準確度和可靠性檢測並測量溫度。


此外,ADI數位溫度感測器可以整合DAC與ADC。多樣化的接口則包括數位產品的I2C、SPI和PWM,以及類比產品的電流和電壓介面等。光學感測器則可在低功耗的條件下,實現非常高的信噪比,這也成為了電池供電應用的理想選擇。


多重感測器能力是工業應用的關鍵

ST的MEMS感測器在消費市場上,擁有領先的地位,在車用領域也具備很高的專業實力。現在ST將這樣的能量延伸至工業領域上,為不同的工業應用提供完整的MEMS解決方案。面對新興工業應用,ST從產品的運送、安裝營運到壽命結束,都能提供完整的感測器來控制相關設備。這些產品包括震撞指示器、振動、溫度感測、傾斜度、環境振動、溫濕度壓力計、超音波監測器等,工廠的現有設備可以附加智慧感測器或以無線方式進行局部與雲端連結,而新增製造設備則可預先安裝智慧感測器或透過IO-Link等有線或無線的方式連線。


圖2 : 工業4.0是一場自動化的生產革命,然而卻也帶來了新的挑戰。
圖2 : 工業4.0是一場自動化的生產革命,然而卻也帶來了新的挑戰。

另外,針對智慧工業應用,ST相關方案則包括了陀螺儀、六軸加速度計、高精度測斜儀、低功耗加速度計、以及磁力計等,並致力於這些相關產品壽命、組合的擴充與提升。


準確度是感測器產品區隔的關鍵之一。ST基於過去在消費性MEMS感測器的技術累積與市場經驗,現階段將會進一步打開工業市場的感測器大門,並提供不同工業市場應用的各式各樣需求。除了承諾能提供10年的工業產品供貨期之外,ST並具備提供多重感測器的能力,這將是推動自動化時代新一波MEMS產品的關鍵所在。ST也針對工業用感測器需求的擴大,在精確度、耗電及可靠度均提供更先進的效能。


感測器需創造新應用與新價值

感測器技術在許多領域變得越來越重要,例如汽車、醫藥、建築、能源和農業等。感測器主要用於獨立設備或系統操作的自動控制,例如自動控制機床和其他製造設備的工廠自動化系統,或監控食品溫度自動烹飪的微波爐。感測器的正朝著兩個主要方向發展,第一是透過更複雜的技術來整理並分析感測器收集的數據,從而創造新的應用和新的價值。控制器和自動控制系統正在不斷融合,以便在要求安全性與可靠性的應用(如車輛自主制動功能)和醫療電子等設備中擴大應用層面,以持續收集數據資料。第二種趨勢則是利用網絡技術收集與整合來自大量感測器的數據,並抓取有助於改善生活品質的資訊。大數據技術的成熟,正推動著資通訊領域的新發展和新應用。


ROHM擁有高性能、低功耗加速度計、陀螺儀和6軸感測器,以及支持各種感測器組合的綜合軟體庫,可滿足各種不同工業應用的需求。此外如照度感測IC具備趨近人眼視感度的光學特性,以及顯示器背光的自動調光功能,不但能降低裝置功耗,還能提升畫面清晰度。至於溫度感測IC則將溫度檢測功能內建於單一晶片中,能夠有效降低管理成本。


結語

工業4.0號稱將帶動第四次的工業革命,在落實上當然有其困難。特別是工業4.0更偏重於透過網路實體系統來賦予終端裝置更高的智能化,且不同領域市場均存在著不同的技術需求,要能滿足這些不同層面的應用,除了累積的經驗之外,更要有能力提供市場所需的完整產品陣容。隨著各大MEMS感測器大廠的解決方案持續推陳出新,也將為工業產線帶來更穩定、安全的應用環境。


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