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打造智慧工廠論壇會後報導
第三波工業革命

【作者: 王岫晨】   2014年04月02日 星期三

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在新世代的智慧工廠中,透過大量佈建的感測器,能夠密集擷取產線訊息,分析後可反映出製程系統的運作全貌,讓廠管人員不僅能第一時間處理事故,也能更有效調度生產資源,並打造符合特定需求的客製化系統。此外,從零件供應、製造產線的供應鏈管理體系,未來也將能更快速反應市場需求而進行調整。


台灣一向為全球的先進製造重鎮,為鞏固這個地位,必然得加速導入智慧工廠技術。CTIMES也為此舉辦了《打造智慧工廠論壇》,邀請各界專家齊聚一堂,協助設計工程師從自動化無縫接軌至智慧化,將有限資源投資在正確的環節,邁入智慧新世代。


串聯生產五大流程 西門子打造高效率產線


圖一 :  西門子資深經理孫世英指出,西門子正在尋找更完美的智慧工廠模式,望讓各個層面都考慮得更周全。
圖一 : 西門子資深經理孫世英指出,西門子正在尋找更完美的智慧工廠模式,望讓各個層面都考慮得更周全。

打造智慧型工廠,最重要的考量究竟是什麼呢?要工廠走向智慧化,最重要的考量依然是節能減碳,也因此,關鍵就在於提高產線的效率。


其實智慧型工廠設計的目的,就是要讓產線更具有彈性、且更靈活,並讓這樣的彈性能涵蓋到整個產品的價值鏈,也就是從產品的設計開發階段到模型製作,一路整合到產品的產出,將整個產品價值鏈串聯起來,打造所有資訊之間的整合,讓生產效率能夠達到最高,這其實正是西門子所希望打造的智慧工廠願景。


西門子資深經理孫世英指出,西門子正在尋找一個更為完美的智慧工廠模式,希望讓工廠生產的各個層面都考慮得更為周全。智慧工廠的目的,不外乎就是要能提升產品的競爭力,這在產品最初的設計階段時,就可以透過虛擬系統來模擬產品最終的樣貌,並讓生產者便能預先知道生產過程所將遭遇到的問題,預作準備,來避免時間與成本的浪費。


而更重要的是,最終的生產過程,也能一如虛擬系統所做出的模擬結果一樣,不會有太大的差異出現,如此一來,產品能以最高效率與最低成本來生產,競爭力提高了,這才是智慧工廠所應該帶來的真正價值。


就目前快速變化的市場來看,科技在變、市場在變,人們的需求越來越多,日新月異。為了因應這樣的需求,工廠的生產流程也必須跟著改變,要能具備更高的彈性來因應改變。其中最主要的考量,就是工廠的效率必須提高,包括人力、資源、物力等,都必須精準使用,並減少能源的浪費,藉此來提高生產效率。此外,縮短產品的研發時間,來加速產品上市時程。或者增加工廠彈性,藉以整合前端的設計階段到後端產品產出的軟體等,都是打造智慧工廠不可或缺的重要關鍵。


孫世英認為,產品上市過程有五個重要步驟,從產品的設計、到生產的計畫、產線的工程規劃、再到真正執行生產,以及最後的服務提供,這五大階段,正是整個產品的價值鏈。然而放眼目前實際的工廠產線中,這五個階段都是分頭進行,並未進行整合,導致生產效率難以有效提高,十分可惜。目前西門子致力於打造智慧型工廠,就是希望能將這五個重要階段完美整合與串聯,提高生產效率,如此才能讓工廠走向真正的高效率與智慧化。


北爾:HMI是智慧工廠運作關鍵

圖二 :  北爾電子產品經理張資芳指出,HMI對於智慧工廠是非常重要的一個環結。
圖二 : 北爾電子產品經理張資芳指出,HMI對於智慧工廠是非常重要的一個環結。

在新興的工業時代,分散式少量多樣生產、高效率、低成本已經是全球化趨勢。在這個全新的趨勢下,每座工廠裡的設備,都將建立資料平台,強調各個裝置和網際網路的連結,並透過網路將虛擬環境與實體架構融為一體,操作人員亦可透過網路與裝置設備互動,達到分散式增強型控制與資料集中管理。


在這樣的過程中,工廠要自動化,也要智慧化。進行運作的是機器,給予指令的則是人。也因此,介於人與機器之間的人機介面(HMI),就成為智慧工廠順利運作的關鍵。


北爾電子產品經理張資芳指出,HMI對於智慧工廠是非常重要的一個環結,舉凡廠房人員對於設備的操控,都必須透過HMI來進行,一個好的HMI系統,才能協助工作人員更快進行或完成產線的運作。


當然,HMI不僅僅只是個介面而已,相關業者還希望能透過介面來進行更高層次的系統整合。例如以HMI來將所有的智慧工廠設備進行水平或是垂直的整合,讓產線的效率更為提升,滿足更多客戶需求。


至於北爾電子的iX系列人機介面方案,全系列均已支援乙太網路,靠著進行遠端安全監控與資料庫存取,可協助工廠人員智慧管理生產流程。至於iX圖控軟體則採用開放式的程式架構,整體系統建立於.NET下,可以透過C#巨集開發各種功能。


張資芳說,智慧工廠的範疇很大,目前北爾的HMI解決方案,透過整合已經能滿足垂直市場,甚至橫向連結每個系統。由於HMI是偏重上層的控制系統,因此能與各類系統廣泛串連,包括通訊系統,或是PLC與PAC等。甚至客戶想與其他大廠的方案搭配使用配合,在技術上都不是問題。


庫卡:讓機器人更友善 協同工作成為可能

圖三 :  庫卡董事長廖啟新指出,下一代的智慧型機器人,必須要具備與作業員協同工作的能力。
圖三 : 庫卡董事長廖啟新指出,下一代的智慧型機器人,必須要具備與作業員協同工作的能力。

機器人和控制技術的持續發展,使機器人技術的應用範圍日益廣泛。雄心勃勃的庫卡(Kuka)多年來專注於投入機器人的設計,並認為機器人就是要置入、取出、雷射處理、焊接、黏合、安裝、檢查、分類等工作都得樣樣精通,因為這樣的堅持,也使得庫卡在機器人的技術上,必須時時保持在市場領先地位。


庫卡董事長廖啟新指出,目前庫卡的高彈性機器人不僅在汽車零組件的製造上扮演要角,而且在汽車生產科技理想化和保持靈活性方面,也發揮越來越重要的作用。例如多個機器人可以同步工作、一起加工零件以縮短迴圈時間,或者共同抬起重物等。


另一個新方案,是用於人與機器共同工作的智慧型自動機器人。以目前的自動化生產環境來看,人與機器之間,都還是會保持著一定的距離,因為在傳統的觀念中,與機器共同工作,就會存在著某種程度的危險。也因此,現有的工作產線中,人與機器的分隔是十分明顯的。


然而廖啟新認為,下一代的智慧型機器人,必須要能與作業員協同工作的能力。例如作業員可以將零件拿在手上,由機器人來進行某些動作,以此讓機器與人能共同進行高效率的作業,這才是真正自動化的意義。讓機器人變得更友善,這正是庫卡全功能的套件顯得更為重要的主因。


對於在汽車產業之外的一般工業環境,庫卡則以開發新市場,特別是物流、塑膠、金屬加工、鑄造、醫療設備或娛樂業的市場為主要目標。新功能套件還為庫卡機器人技術開闢了新的應用領域,例如物流(裝貨、卸貨)、機場行李搬運、在折彎工程時的搬運任務,或者座椅檢測機器人等。


Autodesk讓智慧工廠產線設計更輕鬆

圖四 :  Autodesk工廠設計套裝軟體可協助系統供應商,制訂適合工廠產線佈局的方案,賦予生產過程更多智慧。
圖四 : Autodesk工廠設計套裝軟體可協助系統供應商,制訂適合工廠產線佈局的方案,賦予生產過程更多智慧。

智慧工廠目標不僅是打造全自動化的工廠,更是要以智慧化為最終目標,也就是新一代的『智動化』工廠。為了賦予工廠這樣的能力,事前對於整廠的設計與規劃就顯得更為重要。


事實上,任何系統供應商的目標,都是向客戶提供最佳解決方案。而(Autodesk)歐特克工廠設計套裝軟體(FDS)正在客戶們實現智慧工廠的過程中,助他們一臂之力。透過這樣的方案,不必將生產線進行擴展或新增建築物,而是只要改進現有產線的某些環節,就能更有效率地利用可用空間。


Autodesk大中華區製造業大型客戶技術經理蔡進忠指出,Autodesk工廠設計套裝軟體可協助系統供應商,制訂適合工廠產線佈局的方案,讓產線效率更高,生產過程才能賦予更多智慧。通過3D佈局和照片化的彩線效果,可清晰傳達出產線的設計概念,讓這些系統供應商的設計簡報更能滿足客戶需求的多樣性。


Autodesk工廠設計軟體支持3D工廠資產構建模型。這些資產可快速取用,設計者能輕鬆創建多個設計方案。此外,還可協助系統供應商輕鬆創建所需圖資、平面圖、立體圖和剖面圖,甚至是詳細分布圖與物料清單,都可以從3D佈局中獲取。這套軟體還可提供與2D AutoCAD資料的雙向關聯性,可直接從AutoCAD中進行設計,在Inventor軟體中將圖資自動轉換成3D佈局模型。而3D模型還可自動更新為2D AutoCAD圖資,可省下不少設計時間和工作,並確保設計文件的準確性。


面對任何工廠設計案中,都不免會遇到的產線衝突或裝置間的矛盾,這套設計軟體也可作為衝突檢測工具,用以辨別產線與裝置間的衝突,並找出空間限制等問題,讓工程師在設計階段就能提早找出這些安裝上可能遇到的小瑕疵,而不會成為客戶在產線實地建置時的大問題。


專注系統整合 施耐德讓智慧工廠邁向綠色節能

圖五 :  施耐德電機戴開志經理指出,將系統進行整合,才能讓能源效率提升。
圖五 : 施耐德電機戴開志經理指出,將系統進行整合,才能讓能源效率提升。

從能源使用的角度來看,綠能是無所不在的。若放大檢視一個工廠建築物,其所有的能源都必須仰賴建築物本身來提供,所以提到智慧工廠的節能,需要關注的不只是設備與製程的部分,系統設計與建築物之間如何做到最佳化的整合,才是更應該被關注的。


施耐德電機戴開志經理指出,不論是辦公室或是工廠廠房,都存在著許多不同的系統,這些系統在傳統的工廠中都是個別獨立存在的,然而就能源管理的角度來看,必須要將這些系統進行整合,才能進一步管理、優化,讓能源效率能夠提升。


為了避免對敏感性設備產生非預期的干擾與損害,某些企業需要仰賴可靠的電力效能。因為一旦某些設備停機,便可能造成高昂的成本損失,因此可用性是目前為止最重要的要求。電力系統故障或是電源中斷的非預期干擾事件,可能會讓企業在一些重要項目中產生鉅額的損失,包括生產損失、服務損失、危險的關機事件、昂貴且耗能源的重新啟動作業與整體收益損失。


很不幸地,在電力供應上,這些設備並未達到許多客戶應用所要求的可靠性與可用性等級,電力網路常常會受到干擾影響。這些網路必須依據各地可接受的能源干擾等級加以有效管理。


戴開志說,目前施耐德也針對這些工廠基礎設施,提供完整的解決方案與服務,讓工廠的各系統間能更無縫整合,以提高整體的能源使用效率。如此一來,不僅更環保,工廠本身也能省下許多能源的成本浪費。


提起電力能源,施耐德可說是關鍵的技術領導者,從中低壓配電、智慧終端、到關鍵電力、工業自動化、再生能源等,相關解決方案一映俱全。由於目前已經是能源掛帥的時代,因此施耐德也開始調整經營策略,整合所有電源相關的解決方案,並自詡為能源的管理專家。除了相關解決方案與設備的提供之外,施耐德提供能源相關的服務與諮詢。包括從一開始建築物的機電整合優化、節能設計、顧問服務,以及建築物設備的自動化。


工業4.0讓智慧工廠各環節完美串聯


圖六 :  工研院南分院雲端服務中心程瑞曦主任指出,物聯網結合巨量資料與雲端服務,正是工業4.0的精神。
圖六 : 工研院南分院雲端服務中心程瑞曦主任指出,物聯網結合巨量資料與雲端服務,正是工業4.0的精神。

在不久的未來,全球製造業都面臨著相同之挑戰,這包括了個人化產品需求增加、產品生命大幅縮短、新世代人機互動模式導入、社會結構改變不利勞力生產、永續發展資源有效利用等。面對這些問題,德國提出了工業4.0(Industry 4.0)的策略來因應挑戰。


工業4.0簡單說,就是透過增加效率、縮短產品上市時間,並改進生產彈性,來強化國家製造業的競爭力。其主要驅動力包括ICT、Sensor與Machine,而這正是物聯網(IoT)結合巨量資料與雲端服務的主要精神。


工研院南分院雲端服務中心程瑞曦主任指出,物聯網結合了巨量資料與雲端服務之後,各種智慧應用層面涵蓋了智慧城市、智慧建築、智慧家庭等,而當然,智慧工廠也不例外,包括設計、生產規劃、製造到產品服務,都在工業4.0的範疇之中。


工業4.0的確有助於改變目前全球製造業所面臨之挑戰。針對個人化需求所導致之少量多樣生產模式的問題,工業4.0可透過高彈性製造來解決傳統快速依序製造所產生的效率問題。


至於透過產品設計與製造的無縫整合,可用以解決產品生命週期縮短的挑戰。在下一代的人機互動方面,將設計使用者導向之操作介面,從過去的固定式操作介面,變成由機台服務中心來提供適用於不同習性使用者之App。


對於勞力生產上,未來工業4.0一改過去固定之運作模式,將以低重量與高彈性機器人協同製造,搭配勞工一同在產線上共同作業。而在解決永續發展的作法上,可透過產品生命週期之可追蹤性,將目前片段之設計、生產規劃、生產、使用資訊等,改為由設計、生產規劃(加入資源運用效能)、生產、使用(加上回收機制)之追蹤,來建立生產流程的永續性。


程瑞曦說,虛實整合需依據應用領域與工廠規劃,來整合適用之感測、通訊、資訊處理與分析、知識萃取、設計與製造整合等技術。而智慧製造則可運用人機協調互動(如感測、控制)及回饋機制來持續改善效能。事實上,所有的技術,都僅僅只是單一環節而已,在所有工業生產環境中各環節能完整且高效率地進行串聯,才是成功的真正要素。


機器視覺+狀態監控 NI讓智慧工廠如虎添翼

圖七 :  面對智慧工廠的設計關鍵,NI兩大產品線包括機器視覺、與分散式機器狀態監控系統(MCM)。
圖七 : 面對智慧工廠的設計關鍵,NI兩大產品線包括機器視覺、與分散式機器狀態監控系統(MCM)。

如果將智慧工廠比喻成一個人的話,機器手臂負責的就如同一個人的手,來抓取物品,進行動作。而這些動作的進行,則是透過具有智能分析的大腦來給予指令,至於負責機器視覺的攝影鏡頭,功能就如同眼睛一樣,可以透過即時影像,讓大腦負責分析並下達指令,機器手臂就能同時進行處理作業。這是一氣呵成的動作,各細節環環相扣,不能有任何差錯,否則產線就會出問題。


面對智慧工廠的設計關鍵,NI也主要有兩大產品線來滿足市場需求,包括機器視覺、與分散式機器狀態監控系統(MCM)。NI之所以重視機器視覺,是因為這就代表了機器的眼睛,這個環節做得好,產線的運作也將會更流暢、省時。


針對機器視覺應用,NI已針對市場需求,提供相關軟、硬體工具,來協助工程師以更低成本,迅速解決多樣的難題。這些機器視覺軟體具備圖形化程式設計與視覺演算法工程的特色,可大幅提升產能。為了能滿足需求並迅速上手,另有可設定的環境與完整的設計函式庫。這兩種組合可搭配NI所有硬體產品,並使用現有程式碼來維護硬體系統。


在使用上,工程師可根據需求而選用不同的頻寬、感測器、解析度、相機匯流排介面。機器視覺擷取(Vision Acquisition)軟體具備工業級標準相機介面的驅動程式,或針對特殊相機而搭配LabVIEW驅動程式,進而整合傳統的區域掃瞄、逐行掃瞄、熱能感應、3D相機/雷射/網路攝影機等更多設備。這些機器視覺產品可整合PLC與HMI、導引工業機器人、透過感測器蒐集資料、管理複雜的相機觸發、銜接致動器而控制輸送帶與分級機。另可支援的工業級通訊功能,則包含序列與乙太網路協定,並可延伸至數位 I/O與OPC伺服器。


至於MCM系統,採用的是CompactRIO或CompactDAQ平台。CompactRIO提供嵌入式即時控制器與 FPGA,可用於進階的嵌入式訊號處理、資料記錄與控制。平台亦具備堅固的作業規格。而整合嵌入式功能之後,即可用於溫度與衝擊作業,進行分散式監控之用。CompactDAQ則提供雙核心x86處理器,執行Linux即時作業系統,可用於進階的內建訊號處理與嵌入式資料記錄。其小巧機身具備耐用的運作規格,可放在要監控的機器附近,進而減少接線成本。


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