多核心SoC發威 智慧工廠生產效率大增

作者: 林苑卿
2013 年 08 月 25 日

多核心SoC發威 智慧工廠生產效率大增
多處理器架構將在智慧化工廠蔚為風潮。面對產品毛利率下滑、生產複雜度增加及工資高漲,電子產品製造商正逐步計畫建置智慧化工廠(Smart Factory)和智慧自動化產線(Smart Automation Production),以解決上述難題。
 



行政院為提升國內企業製造產能及品質,亦已核定「智慧型自動化產業發展方案」之發展策略與推動措施,更突顯出智慧化工廠和智慧自動化產線勢不可當。
 



圖1 賽靈思工業行銷經理林逸芳強調,隨著嵌入式視覺系統在智慧化工廠重要性更加突顯,SoC FPGA市場前景亦將跟著看俏。




賽靈思(Xilinx)工業行銷經理林逸芳(圖1)表示,智慧化工廠涵蓋廠房管理、有效能源運用、安全防護、網路、監控及安全分析,以確保工廠整體運作可順暢且安全;智慧自動化產線則可監控設備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness, OEE),促使其達到最高的生產品質與效率,並將停機時間降至最低。
 



以製造業的角度觀之,智慧化工廠和智慧自動化產線市場前景可期;同時亦激勵半導體業者開發出更多元化的多處理器架構,以積極搶食智慧工廠與智慧自動化產線市場杯羹。
 



提高智慧產線OEE 設備監診系統扮要角 



顯而易見的是,科技與傳統產業製造商為提高生產效率,正逐步於智慧自動化產線中增置可在特定操作條件下快速確認失效模式,並解決生產流程異常問題的智慧化設備監診系統,藉此避免陷入生產機器失效,導致產品品質下滑的窘境,大幅提升設備綜合效率。
 



圖2 中鋼設備處機械設備技術組專案工程師柯忠和(左)表示,生產線導入設備監診系統比重漸增。右為中鋼鋼鐵研究發展處研究員王智中




中鋼設備處機械設備技術組專案工程師柯忠和(圖2左)表示,製造產線經常面臨機器故障或性能下降,造成實際生產設備運作時間比原本預定時間縮短的窘境,主因即是製造商無法即時掌握生產線中機器關鍵失效的模式,進而導致停機或重新更換新設備時,不可避免的財務損失,甚至因此流失重要客源。
 



也因此,提高生產設備的可靠度,已成為科技和傳統產業製造商達成公司營利目標的首要之務。
 



中鋼鋼鐵研究發展處研究員王智中(圖2右)指出,傳統的設備監診系統儀器數量眾多,且必須搭配專業的診斷專家將收集到的產線資料進行分析,以確認生產設備有無異常狀況,不僅花費龐大,且若遇到異常狀況,監診系統僅會發出警訊並等待診斷專家提供指令,再進行停機或操作修正,經常會延誤搶救設備恢復正常運作的黃金時間。
 



有鑑於此,產業界已發展出智慧化設備監診系統,一改傳統設備監診系統須由專業診斷專家分析的運作模式,轉而提高設備監診系統的變異檢測和失效模式辨識能力,並立即處理異常問題。
 



柯忠和強調,產線導入智慧化設備監診系統後,可大幅延長生產設備的使用壽命,同時改善關鍵設備的維修效率與效果,顯著強化設備運轉的可靠度,並節省意外停機的生產成本,以及提高廠房安全,避免職業災害發生。
 



據了解,中鋼已借助美商國家儀器的PXI平台,自行開發出智慧化設備監診系統,主要係由紀錄/資料分析平台、高密度線上監測平台、分離式線上監測/保護機制及可攜式檢測設備所組成。其中涵蓋三大分析模組:設備狀態異常監診模組、軋機振動輥痕分析模組此,以及依生產過程導向分析模組。
 



王智中認為,該公司觀察到可視化是生產決策的重要工具,遂於自行開發的智慧化設備監診系統中,提供生產線人員即時精密分析畫面,以協助失效狀況及失效後果分析,做為生產決策的參考。
 



智慧化工廠與智慧自動化產線為達到監控與資料分析的目的,必須設置監控攝影機和後端資料中心(Data Center),因此將帶動更高處理速度的多核心系統單晶片(SoC)需求看漲。
 



多核心SoC助攻 智慧產線生產效率躍進
多核心SoC助攻 智慧產線生產效率躍進 



圖3 德州儀器嵌入式系統經理陳思儒指出,瞄準智慧自動化產線商機,該公司將持續在多核心SoC推陳出新,以迎合市場需求。




德州儀器(TI)嵌入式系統經理陳思儒(圖3)表示,智慧自動化產線中的個別裝置若搭載多核心SoC,除能執行複雜的資料運算外,亦能顯著縮短資料處理的時間,並減少功耗,如此一來將有利於大大降低後端資料中心的工作負擔,同時提升智慧自動化產線的生產效率及達成省電目的。
 



陳思儒進一步指出,多核心SoC不僅適用於智慧自動化產線的個別裝置,後端資料中心亦將為主要的應用。資料中心開發商可透過多核心SoC開發出更高運算性能且節能的方案,提高旗下產品競爭力,並讓資料中心在智慧自動化產線中發揮更大的功用。
 



隨著智慧自動化產線的前端裝置與後端資料中心,分別導入多核心SoC後,製造廠商將可更易於建置基於集中式處理架構的智慧自動化產線,進一步提高生產效率和良率。
 



面對智慧自動化產線對於多核心SoC需求日益殷切,德州儀器、亞德諾(ADI)等晶片業者亦加碼投入多核心SoC產品開發,以迎合市場需求。陳思儒強調,德州儀器已發布採用28奈米(nm)製程生產的第二代KeyStone系列多核心SoC,預計今年下半年將再發表整合四顆多核心Cortex-A15的多核心SoC樣品與評估模組(EVM)。
 



智慧化工廠應用點火 FPGA SoC後勢看漲 



除監控攝影機與資料中心外,智慧化工廠為提高智慧自動化產線中作業人員的安全,未來布建由高性能機器視覺所組成的「虛擬柵欄/屏障系統(Virtual Fence or Barrier)」比重將會大幅攀升,此亦將推升兼顧高運算效能和即時處理能力的現場系統單晶片可編程閘陣列(FPGA SoC)需求。
 



林逸芳表示,過去自動化工廠中的每部機器,僅須負責執行自動化產線中的一小部分工作任務,且工作任務的內容和活動範圍均可被預測,因此生產線附近操作、維護及工作的人員,皆可在周圍所建置的安全籠(Safety Cage)中工作,以降低工作風險。
 



然而,現今製造商為提升智慧化工廠的生產效率,將於智慧自動化產線中建置靈活度更高的生產機器,並為該機器提供更大的運作空間;然而,生產機器在智慧化工廠的移動範圍將為整體智慧自動化產線帶來顯著的變化,特別是安全籠為因應工廠內機器的移動範圍,設置的條件將會出現更多限制。
 



也因此,建置智慧化工廠的雇主為保護智慧自動化產線工程人員的安全,同時避免制約智慧自動化產線的活動範圍,於智慧化工廠中導入虛擬柵欄/屏障系統的比例將會逐步增加。當工作人員太靠近生產線或外部屏障時,虛擬柵欄/屏障系統會發出警報;若繼續跨越第二道屏障,系統將會自動關閉整條生產線,以避免發生傷害事故。
 



林逸芳強調,近期虛擬柵欄/屏障技術已在自動化工廠中蔚為風潮,特別是充斥著潛在危險性設備與化學品的工作環境中,對此技術的需求更加殷切;日後該技術更可望被廣泛應用在日常生活中,以降低意外的發生。
 



現階段,產業界正分別藉由微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)及特定應用積體電路(ASIC)開發虛擬柵欄/屏障系統中的機器視覺系統。不過,林逸芳認為,相較於MCU、DSP及ASIC,該公司的FPGA SoC系列產品Znyq-7000係整合Cortex-A9核心與自有的28奈米FPGA,再搭配平行計算和快速輸入輸出(I/O)功能,因此具備更強大的即時運算能力,更能符合嵌入式視覺系統開發商的設計要求。
 



林逸芳補充,有別於以往FPGA僅能擔任系統中主處理器的協同處理器角色,FPGA SoC除具備軟體演算法與影像處理能力之外,可編程功能更有助於設計人員開發更多即時功能(如支援更多工業網路通訊協定等),未來可望擔起嵌入式視覺系統中主處理器的重任。
 



隨著科技與傳統產業製造商紛紛建置智慧化工廠,多核心處理器的重要性已更加突顯,吸引半導體業者爭相投入產品開發,以爭搶這波智慧化工廠的成長商機。

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