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)](/art/2013/05/171253219530/p1.jpg)
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) |
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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)](/art/2013/05/171253219530/p2.jpg)
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) |
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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)](/art/2013/05/171253219530/p3.jpg)
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) |
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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。