帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
工業3.5準智慧系統就位 工業4.0方能乘勢起飛
 

【作者: 王明德】   2019年06月13日 星期四

瀏覽人次:【2106】
  

工業4.0近年來成為全球製造業最重要的議題,各國政府也積極制定相關政策,不過各國工業環境的發展速度不一,是否要讓智慧化一步到位,業者就必須慎思,清華大學簡禎富教授近期就提出「工業3.5」概念,認為台灣應趁工業4.0上線前發展出工業3.0,作為現在到未來工業過渡時期的混合策略,而根據工研院調查,相較於其他先進工業大國同業,台灣製造業連工業3.0的自動化都不完整,尤其是中小企業多數仍停留半自動階段,然而智慧製造已是大勢所趨,在市場的強力競爭下,未來要免於被淘汰,工業4.0已非選擇題,而是答案只有要不要繼續生存的是非題。



圖1 :  台灣製造業多仍只停留在半自動化階段,要打造工業4.0,必須建構出先世代的自動化系統,再逐步打造出具智慧化的製造架構。(source:CHEManager)
圖1 : 台灣製造業多仍只停留在半自動化階段,要打造工業4.0,必須建構出先世代的自動化系統,再逐步打造出具智慧化的製造架構。(source:CHEManager)

雖然並非一次到位完成工業4.0建置,但要從工業2.5的半自動到3.0的自動化,乃至於3.5的準智慧化,對製造業者來說已是高難度挑戰,不過業者仍須逐步前進。


智慧化在製造業掀起巨大浪潮,不過在智慧化之前,工廠的自動化概念也不斷被重新定義,除了讓設備具有更完整、多元、巧妙的功能外,「最適化」、「擴充性」、「整合監控」,都是新世代製程的重要概念。


智慧製造乃至於智慧工廠,從製程、機台到系統維護,或者是全方位最適化、彈性擴充、生產整合監控,都是目前業界已有的製造解決方案。而「全方位製造系統」、「可重組製造系統」與「智慧維護系統」,這三類系統雖然不完全以智慧化技術作為主題,但已有「準智慧」的意味在內。做為準智慧製造的三大課題,這些系統的共同特徵,主要是大量運用「感測」、「軟體」與「網路」技術。


所謂的全方位製造系統觀念,指的是將複雜系統區分為數個自給自足的子系統,各子系統間藉由相互協調,以達成整體系統目標,並可以適應環境變化來調整系統群組態樣。由於現今製造業所面臨的問題,主要可歸納為「系統脆弱」及「變動成本昂貴」,為使製造系統更敏捷,同時降低變動成本,製造系統發展邁向具有「可重複性」、「可交換性」、「有適應力」以及高度「標準化」的建構模組,以因應環境的改變。


全方位製造 應用簡單 簡單應用

工廠智慧化的定義,除了讓設備本身的功能更聰明,系統設計前期的設備選擇,也是廣義的智慧化定義,這幾年全球製造業進入微利時代,如何提升設備CP值,已成系統設計者的重要考量,而「最適化」已成為近年來製造業者的重要概念,這種強調整合性與最適化的服務,才是目前智慧製造的主要面向,「簡單應用,應用簡單」成為這類自動化系統廠商追求的終極化目標。



圖2 : 全方位製造系統是將複雜系統區分為數個自給自足的子系統,各子系統間藉由相互協調,以達成整體系統目標。(source:Device Insight)
圖2 : 全方位製造系統是將複雜系統區分為數個自給自足的子系統,各子系統間藉由相互協調,以達成整體系統目標。(source:Device Insight)

以各工業設備大廠廠商的產品布局為例,近年來小型PLC成為各大廠商的控制器重點產品,就是針對的是未來小型自動化的市場,考量市場的簡單需求。這類小型PLC產品適用於小規模系統,且具有成本效益的機器製造商及使用者,此類控制模組解決方案所訴求的就是「剛剛好」,不用整合其他架構,只要簡單機械整合周邊軟硬體就可以完成設置;而需要個人化擴充功能,廠商也提供各種功能選項,無須擴張產品的體積。


這種做法來自於分析市場後的差異化想像,推出小型PLC主要著眼於市場的區隔性,如果所有功能都納入,的確是強大的產品,但相對的產品競爭力就會變得太過於弱勢。可以簡單控制,又有可靠度的產品,這類小型應用的整合,將是最大的商機。


簡單來說,目前工廠自動化的產品,在硬體方面已經到達技術頂端,後續的產品發展,將會從整合性的系統解決方案著手,尤其是軟體,更是新世代工廠自動化最大的加值。包括遠端控制軟體、資料庫系統、控制器與儀表等設備,這種類分散式系統(DCS)解決方案的架構也近乎完備。


此一趨勢加上近年來PLC的發展已經到達極限,加上重工業如石油、化工等產業,較著重控制及防護等特殊需求,現況PLC已經無法負荷,因此整合軟硬體系統的智慧製造模式將成為未來主要商機;此外,硬體系統的區隔亦愈加模糊,這更凸顯了軟體系統的重要性。


最適宜系統 共享共通軟體架構

相對於其他大型自動化廠商,現在自動化大廠也在既有的產品進行發展與轉換,更重要的是與其他平台的「共享」部分,「單一軟體,單一架構」成為全方位製造系統的主流想法,過去的系統在整體的架構上必須多次的進行設定,現在透過軟體系統的改進,可一次將系統設定完善。如此一來,彈性、可擴充的製程控制系統,得以更全方位的進行智慧製造的管控。



圖3 : 軟體已是現在自動化系統的必要技術,尤其是數位模擬,將可大幅提升建置效能、降低成本支出。(source:MachineMetrics)
圖3 : 軟體已是現在自動化系統的必要技術,尤其是數位模擬,將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層面上凸顯,在後續系統部分,高度整合性的製程控制系統更可以展現價值。例如透過遠端更新系統,減少時效的限制;在遠端控制資產管理、訊息整合,更可以即時讓控制者或管理者進行決策,甚至可以開發在手持系統上的遠端控制,讓管理決策更為即時。


事實上,由於工廠廠房龐大,導致作業人員常需要移動去操作不同的機台,無形中不但花費不少不必要的時間,如果遇到緊急事故,來不及移動處理時,就可能釀成事故,尤其是傳統製造業像石化、煉鋼等大範圍廠區,如果進行遠端資料分析還要佈線,對成本和技術都是嚴苛考驗,因此現在的技術雖可進行遠端監控,甚至指令的下達,不過考量到穩定度,在導入時仍必須特別小心。


雖然智慧化已成為既定趨勢,不過台灣製造業向來保守,仍以使用既有設備為主,對於整合系統的接受度仍然有限,設備業者對此也提供「分階段」替換,從子系統開始整合,再逐步擴及到整體系統。目前這類整合性的全方位製造系統適用的場所,主要還是廠房面積較大、自動化倚賴較深,以及危險性較高的產業應用。


至於串聯,可高相容性的工業乙太網路系統趨勢已成,由於封閉式網路必須侷限在製造商腳下,開放、標準化、共通的核心架構,才適用於整合智慧製造的系統,傳統封閉式系統不僅移轉及支援都有其難度,整合及維護更是受到限制,透過單一控制平台,從裝置到應用平台,才能提供資訊共享的工廠全面控制及資訊系統。


相對於大型設備業者以系統整合為主,強調全方位解決方案,另外也有廠商針對中小型製造業,提出不一樣的產品思維。由於台灣的製造業發展多為中小企業起家,其產品強調少量多樣化的特質,全方位的系統整合似乎並不適宜此類的發展,而「可重組製造系統」就成為另一種層面的選項。


彈性可重組 單一多元整合適用

所謂「可重組製造系統」主要的想像,來自於一種可以隨著市場需求及生產需求來調整的彈性化系統,這樣的「彈性」主要是基於產能組態調整,以及功能的改變。


傳統的彈性化製造系統,主要適用於大型場域的製造業。這類製造系統必須在建置初期及考慮未來的「擴充」,因此必須將各種不同的生產型態及功能設計在系統中;也就是說,製造業必須考慮未來的發展,在現階段就將未來可能用到的功能設計購置,無形中即造成資本的浪費。



圖4 : 工業物聯網廣泛應用於工廠廠區的科技,可讓各工作站的資訊連結更緊密。(source:ciirc – CVUT)
圖4 : 工業物聯網廣泛應用於工廠廠區的科技,可讓各工作站的資訊連結更緊密。(source:ciirc – CVUT)

但在現況下,不論是大型企業或中小企業,同樣面對了現今市場環境的變動性,以及大量客製化的生產型態,可重組製造系統可以整合此類趨勢,透過不斷改變系統組態,解決製造業快速變動市場的相關問題,像在工具機領域,可重組製造系統仍然屬於學術研發方案,但應用在智慧製造的系統層面,可重組製造系統仍然是可行的解決方案。


這類系統有幾個特色,包括:


1.彈性的系統設計:其可根據客戶需求及市場現況與趨勢,設計出多種組合的智慧化系統模組。


2.可重組製程:可根據產品訂單需求設定不同組態,以調整相關製程。


3.系統建置調校模組化:因系統可能因為不同型態訂單調整系統組態,在重新設定後仍必須經過調校才能進行生產,透過智慧化感測技術進行模組式的調校,可快速完成量產前的設定。


業者指出,從中小企業轉型自動化乃至於智慧製造的發展,必須分步驟達成,由於智慧製造的發展,主要是從半導體產業開始的;在傳統產業轉型中導入智慧製造有一定難度。業者認為初步的轉變,主要仍以取代勞力的智慧生產線為主。


在傳統製造產業中,常會面臨勞工短缺等問題,但基於需要品質穩定甚或高效率的生產線,來應付各式各樣的大量生產;對於這類必須成長環境的產業而言,基本的需求多是工業用的機械手臂。


相同技術的機械手臂,應用在包括組裝、搬運、整箱堆疊排列等不同的作業模式,基本上即屬於「可重組製造系統」的領域發展。針對此類運用,中小型製造業者可使用入門型機款,透過不間斷高效運作模式,提高人力價值,達成減少工安風險並維持品質水準等目標而提出的系統解決方案。


這類入門型的機種適合快速取代人力,進行較為彈性化製程等工作,強化智慧化製程的轉變;以較為輕巧的規格,不強調全方位的功能性,並得以快速整合客製化模組。使用此類產品,主要是考慮到未來的擴充,因此必須選擇有提供開放性支援系統,也可針對現有的周邊設備進行整合的設備廠商,而由於傳統產業自動化較低,因此在邁入智慧化時,也可透過控制器的I/O擴充介面,控制周邊設備的運作。這類模式還可以構成初階的自動化系統,同時保留後續智慧製造的擴充性。


相較於傳統產業,半導體產業的自動化系統已有一定程度的智慧製造概念,也可作為傳統製造業的參考。不過,目前傳統產業建構出類似系統,必須從產品設計的基礎端就導入「自動化」製程的概念,如果模組及零件缺乏自動化考量,對製程智慧化將帶來高度阻礙。


以機器手臂進入生產線為例,現在機器手臂廠商常遇到客戶直接提供現有的模組及製具,有的連夾取都有問題,導入生產線自動化就更形困難。而這必須要透過完整的教育,自動化的目的主要是節省資源,如果因為不利於自動化的產品來增加設備,絕對是本末倒置的,如果為了自動化而自動化,反而讓後續的發展缺東缺西,將不利於智慧製造發展。


安全可追蹤 製程智慧流程監控

隨著工業自動化的快速演進,在IT與OT技術整合下,整個產業鏈從產品設計及研發到生產銷售和維修服務,在效率及生產力都達到前所未有的水準。有鑑於客戶在業務以及技術上的需求,目前大型製造系統供應商的產品,都以「讓資訊在廠區與IT中心之間來回傳送」、以及「創造最佳化生產資源的有益回饋循環機制」為概念,推出工業物聯網解決方案。



圖5 : 雲端平台是智慧化製造系統的必要建構,現在已有多數廠商推出解決方案。(source:SP Technology)
圖5 : 雲端平台是智慧化製造系統的必要建構,現在已有多數廠商推出解決方案。(source:SP Technology)

工業物聯網連結了從感測器到伺服器端廣泛應用於工廠廠區的科技,當加工、組裝與測試時,在其OT系統中,可讓使用者在不同一個工作站間掌握客戶訂單進度,在IT技術端則有產品生命週期管理(Product Lifecycle Management, PLM)與其他具備安全性、可追蹤性與節能技術的各種子系統。工業物聯網的核心,是從生產線感測器延伸到IT資料中心伺服器的端對端企業連結架構,即時從企業應用程式中存取的廠區資料,能讓生產過程持續最佳化並且提升整體設備效率(OEE)。


除了製造現場的自動化,製造業要走向智慧化,系統方面仍必須有其他準備,例如與供應體系鏈結、工業網路資安設計、勞安環境建置、安全與能源管理等,這些工業3.5的建置,都是製造業者在邁向工業4.0之前的必要功課。整體而言,工業4.0是一條漫長的路,無法一蹴可及,業者必需有策略、有耐心地逐步完成前置系統,才能讓所建置的智慧製造貼合自身需求,並產生目標效益。


相關文章
建立使用者付費機制 看見智慧家庭發展願景
PLC未來將延伸自動化控制設備感測訊號傳輸
智慧浪潮來襲 大廠PLC展開不同布局
工業4.0催化轉型 驅動PLC智慧變革
歐系傳動元件掌握研發優勢 融入智慧化系統整合
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 電子、AIoT、能源、光電、雷射五展跨界激盪 前瞻趨勢智能創新應用
» 賓鑫智能落地台灣 用AI演算智慧製造
» 跨部會三合一展現產業加乘效益 讓世界看見台科技創新能量
» 資策會AI全方位虛擬助理,加速企業數位轉型與服務升級
» 直擊中國工博會商機 上海賓通擁全球布局優勢
  相關產品
» Fluke首款可攜式口袋熱像儀上市
» Fluke首款工業聲學成像儀ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度熱像儀齊登場
» 明緯擴充EPP-500系列
» KNX用於現代建築 可降低事後維護與火災風險

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw