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工业3.5准智慧系统就位 工业4.0方能乘势起飞
 

【作者: 王明德】2019年06月13日 星期四

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工业4.0近年来成为全球制造业最重要的议题,各国政府也积极制定相关政策,不过各国工业环境的发展速度不一,是否要让智慧化一步到位,业者就必须慎思,清华大学简祯富教授近期就提出「工业3.5」概念,认为台湾应趁工业4.0上线前发展出工业3.0,作为现在到未来工业过渡时期的混合策略,而根据工研院调查,相较於其他先进工业大国同业,台湾制造业连工业3.0的自动化都不完整,尤其是中小企业多数仍停留半自动阶段,然而智慧制造已是大势所趋,在市场的强力竞争下,未来要免於被淘汰,工业4.0已非选择题,而是答案只有要不要继续生存的是非题。



图1 :  台湾制造业多仍只停留在半自动化阶段,要打造工业4.0,必须建构出先世代的自动化系统,再逐步打造出具智慧化的制造架构。(source:CHEManager)
图1 : 台湾制造业多仍只停留在半自动化阶段,要打造工业4.0,必须建构出先世代的自动化系统,再逐步打造出具智慧化的制造架构。(source:CHEManager)

虽然并非一次到位完成工业4.0建置,但要从工业2.5的半自动到3.0的自动化,乃至於3.5的准智慧化,对制造业者来说已是高难度挑战,不过业者仍须逐步前进。


智慧化在制造业掀起巨大浪潮,不过在智慧化之前,工厂的自动化概念也不断被重新定义,除了让设备具有更完整、多元、巧妙的功能外,「最适化」、「扩充性」、「整合监控」,都是新世代制程的重要概念。


智慧制造乃至於智慧工厂,从制程、机台到系统维护,或者是全方位最适化、弹性扩充、生产整合监控,都是目前业界已有的制造解决方案。而「全方位制造系统」、「可重组制造系统」与「智慧维护系统」,这三类系统虽然不完全以智慧化技术作为主题,但已有「准智慧」的意味在内。做为准智慧制造的三大课题,这些系统的共同特徵,主要是大量运用「感测」、「软体」与「网路」技术。


所谓的全方位制造系统观念,指的是将复杂系统区分为数个自给自足的子系统,各子系统间藉由相互协调,以达成整体系统目标,并可以适应环境变化来调整系统群组态样。由於现今制造业所面临的问题,主要可归纳为「系统脆弱」及「变动成本昂贵」,为使制造系统更敏捷,同时降低变动成本,制造系统发展迈向具有「可重复性」、「可交换性」、「有适应力」以及高度「标准化」的建构模组,以因应环境的改变。


全方位制造 应用简单 简单应用

工厂智慧化的定义,除了让设备本身的功能更聪明,系统设计前期的设备选择,也是广义的智慧化定义,这几年全球制造业进入微利时代,如何提升设备CP值,已成系统设计者的重要考量,而「最适化」已成为近年来制造业者的重要概念,这种强调整合性与最适化的服务,才是目前智慧制造的主要面向,「简单应用,应用简单」成为这类自动化系统厂商追求的终极化目标。



图2 : 全方位制造系统是将复杂系统区分为数个自给自足的子系统,各子系统间藉由相互协调,以达成整体系统目标。(source:Device Insight)
图2 : 全方位制造系统是将复杂系统区分为数个自给自足的子系统,各子系统间藉由相互协调,以达成整体系统目标。(source:Device Insight)

以各工业设备大厂厂商的产品布局为例,近年来小型PLC成为各大厂商的控制器重点产品,就是针对的是未来小型自动化的市场,考量市场的简单需求。这类小型PLC产品适用於小规模系统,且具有成本效益的机器制造商及使用者,此类控制模组解决方案所诉求的就是「刚刚好」,不用整合其他架构,只要简单机械整合周边软硬体就可以完成设置;而需要个人化扩充功能,厂商也提供各种功能选项,无须扩张产品的体积。


这种做法来自於分析市场後的差异化想像,推出小型PLC主要着眼於市场的区隔性,如果所有功能都纳入,的确是强大的产品,但相对的产品竞争力就会变得太过於弱势。可以简单控制,又有可靠度的产品,这类小型应用的整合,将是最大的商机。


简单来说,目前工厂自动化的产品,在硬体方面已经到达技术顶端,後续的产品发展,将会从整合性的系统解决方案着手,尤其是软体,更是新世代工厂自动化最大的加值。包括远端控制软体、资料库系统、控制器与仪表等设备,这种类分散式系统(DCS)解决方案的架构也近??完备。


此一趋势加上近年来PLC的发展已经到达极限,加上重工业如石油、化工等产业,较着重控制及防护等特殊需求,现况PLC已经无法负荷,因此整合软硬体系统的智慧制造模式将成为未来主要商机;此外,硬体系统的区隔亦愈加模糊,这更凸显了软体系统的重要性。


最适宜系统 共享共通软体架构

相对於其他大型自动化厂商,现在自动化大厂也在既有的产品进行发展与转换,更重要的是与其他平台的「共享」部分,「单一软体,单一架构」成为全方位制造系统的主流想法,过去的系统在整体的架构上必须多次的进行设定,现在透过软体系统的改进,可一次将系统设定完善。如此一来,弹性、可扩充的制程控制系统,得以更全方位的进行智慧制造的管控。



图3 : 软体已是现在自动化系统的必要技术,尤其是数位模拟,将可大幅提升建置效能、降低成本支出。(source:MachineMetrics)
图3 : 软体已是现在自动化系统的必要技术,尤其是数位模拟,将可大幅提升建置效能、降低成本支出。(source:MachineMetrics)

整合性不只是在建置层面上凸显,在後续系统部分,高度整合性的制程控制系统更可以展现价值。例如透过远端更新系统,减少时效的限制;在远端控制资产管理、讯息整合,更可以即时让控制者或管理者进行决策,甚至可以开发在手持系统上的远端控制,让管理决策更为即时。


事实上,由於工厂厂房庞大,导致作业人员常需要移动去操作不同的机台,无形中不但花费不少不必要的时间,如果遇到紧急事故,来不及移动处理时,就可能酿成事故,尤其是传统制造业像石化、炼钢等大范围厂区,如果进行远端资料分析还要布线,对成本和技术都是严苛考验,因此现在的技术虽可进行远端监控,甚至指令的下达,不过考量到稳定度,在导入时仍必须特别小心。


虽然智慧化已成为既定趋势,不过台湾制造业向来保守,仍以使用既有设备为主,对於整合系统的接受度仍然有限,设备业者对此也提供「分阶段」替换,从子系统开始整合,再逐步扩及到整体系统。目前这类整合性的全方位制造系统适用的场所,主要还是厂房面积较大、自动化倚赖较深,以及危险性较高的产业应用。


至於串联,可高相容性的工业乙太网路系统趋势已成,由於封闭式网路必须局限在制造商脚下,开放、标准化、共通的核心架构,才适用於整合智慧制造的系统,传统封闭式系统不仅移转及支援都有其难度,整合及维护更是受到限制,透过单一控制平台,从装置到应用平台,才能提供资讯共享的工厂全面控制及资讯系统。


相对於大型设备业者以系统整合为主,强调全方位解决方案,另外也有厂商针对中小型制造业,提出不一样的产品思维。由於台湾的制造业发展多为中小企业起家,其产品强调少量多样化的特质,全方位的系统整合似??并不适宜此类的发展,而「可重组制造系统」就成为另一种层面的选项。


弹性可重组 单一多元整合适用

所谓「可重组制造系统」主要的想像,来自於一种可以随着市场需求及生产需求来调整的弹性化系统,这样的「弹性」主要是基於产能组态调整,以及功能的改变。


传统的弹性化制造系统,主要适用於大型场域的制造业。这类制造系统必须在建置初期及考虑未来的「扩充」,因此必须将各种不同的生产型态及功能设计在系统中;也就是说,制造业必须考虑未来的发展,在现阶段就将未来可能用到的功能设计购置,无形中即造成资本的浪费。



图4 : 工业物联网广泛应用於工厂厂区的科技,可让各工作站的资讯连结更紧密。(source:ciirc - CVUT)
图4 : 工业物联网广泛应用於工厂厂区的科技,可让各工作站的资讯连结更紧密。(source:ciirc - CVUT)

但在现况下,不论是大型企业或中小企业,同样面对了现今市场环境的变动性,以及大量客制化的生产型态,可重组制造系统可以整合此类趋势,透过不断改变系统组态,解决制造业快速变动市场的相关问题,像在工具机领域,可重组制造系统仍然属於学术研发方案,但应用在智慧制造的系统层面,可重组制造系统仍然是可行的解决方案。


这类系统有几个特色,包括:


1.弹性的系统设计:其可根据客户需求及市场现况与趋势,设计出多种组合的智慧化系统模组。


2.可重组制程:可根据产品订单需求设定不同组态,以调整相关制程。


3.系统建置调校模组化:因系统可能因为不同型态订单调整系统组态,在重新设定後仍必须经过调校才能进行生产,透过智慧化感测技术进行模组式的调校,可快速完成量产前的设定。


业者指出,从中小企业转型自动化乃至於智慧制造的发展,必须分步骤达成,由於智慧制造的发展,主要是从半导体产业开始的;在传统产业转型中导入智慧制造有一定难度。业者认为初步的转变,主要仍以取代劳力的智慧生产线为主。


在传统制造产业中,常会面临劳工短缺等问题,但基於需要品质稳定甚或高效率的生产线,来应付各式各样的大量生产;对於这类必须成长环境的产业而言,基本的需求多是工业用的机械手臂。


相同技术的机械手臂,应用在包括组装、搬运、整箱堆叠排列等不同的作业模式,基本上即属於「可重组制造系统」的领域发展。针对此类运用,中小型制造业者可使用入门型机款,透过不间断高效运作模式,提高人力价值,达成减少工安风险并维持品质水准等目标而提出的系统解决方案。


这类入门型的机种适合快速取代人力,进行较为弹性化制程等工作,强化智慧化制程的转变;以较为轻巧的规格,不强调全方位的功能性,并得以快速整合客制化模组。使用此类产品,主要是考虑到未来的扩充,因此必须选择有提供开放性支援系统,也可针对现有的周边设备进行整合的设备厂商,而由於传统产业自动化较低,因此在迈入智慧化时,也可透过控制器的I/O扩充介面,控制周边设备的运作。这类模式还可以构成初阶的自动化系统,同时保留後续智慧制造的扩充性。


相较於传统产业,半导体产业的自动化系统已有一定程度的智慧制造概念,也可作为传统制造业的叁考。不过,目前传统产业建构出类似系统,必须从产品设计的基础端就导入「自动化」制程的概念,如果模组及零件缺乏自动化考量,对制程智慧化将带来高度阻碍。


以机器手臂进入生产线为例,现在机器手臂厂商常遇到客户直接提供现有的模组及制具,有的连夹取都有问题,导入生产线自动化就更形困难。而这必须要透过完整的教育,自动化的目的主要是节省资源,如果因为不利於自动化的产品来增加设备,绝对是本末倒置的,如果为了自动化而自动化,反而让後续的发展缺东缺西,将不利於智慧制造发展。


安全可追踪 制程智慧流程监控

随着工业自动化的快速演进,在IT与OT技术整合下,整个产业链从产品设计及研发到生产销售和维修服务,在效率及生产力都达到前所未有的水准。有监於客户在业务以及技术上的需求,目前大型制造系统供应商的产品,都以「让资讯在厂区与IT中心之间来回传送」、以及「创造最隹化生产资源的有益回??循环机制」为概念,推出工业物联网解决方案。



图5 : 云端平台是智慧化制造系统的必要建构,现在已有多数厂商推出解决方案。(source:SP Technology)
图5 : 云端平台是智慧化制造系统的必要建构,现在已有多数厂商推出解决方案。(source:SP Technology)

工业物联网连结了从感测器到伺服器端广泛应用於工厂厂区的科技,当加工、组装与测试时,在其OT系统中,可让使用者在不同一个工作站间掌握客户订单进度,在IT技术端则有产品生命周期管理(Product Lifecycle Management, PLM)与其他具备安全性、可追踪性与节能技术的各种子系统。工业物联网的核心,是从生产线感测器延伸到IT资料中心伺服器的端对端企业连结架构,即时从企业应用程式中存取的厂区资料,能让生产过程持续最隹化并且提升整体设备效率(OEE)。


除了制造现场的自动化,制造业要走向智慧化,系统方面仍必须有其他准备,例如与供应体系链结、工业网路资安设计、劳安环境建置、安全与能源管理等,这些工业3.5的建置,都是制造业者在迈向工业4.0之前的必要功课。整体而言,工业4.0是一条漫长的路,无法一蹴可及,业者必需有策略、有耐心地逐步完成前置系统,才能让所建置的智慧制造贴合自身需求,并产生目标效益。


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