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第三波工業革命-智慧工廠
 

【作者: 王明德】   2014年08月25日 星期一

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智慧工廠這幾年成為製造產業的當紅議題,究其原因可分為內外兩面因素,內部因素主要來自於人力成本問題,至於外部因素,主要是因應現在產品的種類漸趨多樣,傳統的自動化技術的產線變化彈性不足,無法負荷新型態的生產模式,在內外因素的影響下,智慧工廠逐漸受到業界重視。


圖一
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在人力成本方面,大陸市場崛起後,當地廉價的勞工使中國成為所謂的「世界工廠」,不過近期大陸勞工意識快速高漲,其人工費用已不像過去低廉,歐美方面則各有不同,美國主要是因應歐巴馬政府的製造業回流政策,大型企業開始將散居海外的製造據點遷回美國,而為因應美國的高昂人力成本,必須大量導入智慧化系統,至於德國則是因為人口老化速度加快,為能在日後保持現有的經濟優勢,必須提早布局智慧工廠,這也是德國政府自2012年開始力推「工業4.0」的主因。


中、美、德三國 全力布局智慧工廠


目前推動「智慧工廠」概念計畫的國家,主要也是上述的中、美、德三大國,這三大國家不約而同都於2012年開始推動計畫,中國是在2012年頒布的十二五計畫中,列入將2015年至2020年的發展目標,預計2015年中國智慧製造裝備產業銷售收入將達1兆元人民幣,年平均成長率超過25%,2020年中國將建立完善的智慧製造裝備產業體系,產業銷售收入超過3兆元人民幣,美國則是推動「先進製造技術」(AMP),美國的國家科技委員會已於2012年2月公布先進製造國家策略計畫,以加速中小廠商投資、強化勞動力技能、建立公私夥伴合作關係、協調聯邦投資達最佳化,以及提高美國先進製造R&D 投資等5 大目標及其行動方案為戰略思維,2013年3月,美國總統歐巴馬再宣布將設立國家製造創新網絡(National Network of Manufacturing Innovation, NNMI),預計將在10年內於全美成立15 個製造創新研究院,作為區域創新與人才培育中心,以縮短基礎研究與業界技術開發間之差距。


至於德國則是在2012年的漢諾威工業博覽會所提出,西門子工業驅動科技事業部副總經理鄭智峰指出,工業4.0的主要內涵是提昇現有的自動化技術,使其可以因應現在客戶的多樣化產品需求,同時能兼具產線效率,這就是所謂的「隨選生產」(Production on Demand),在隨選生產概念下,產線可以即時制定生產計畫,此一概念看似簡單,但牽涉的技術相當廣,從管理平台到製程設備的軟硬體,都需有大幅度改變,工業4.0延伸出智慧工廠概念,所謂的智慧工廠與現有的生產方式有別,是以全新生產流程運作,除垂直與工廠及廠商管理流程形成網絡外,也以水平透過網路與外部供應鏈結合,從訂單到交貨,整個價值創造網路都可即時掌控,此外,鄭智峰表示,「智慧工廠」也同時整合產銷存系統,避免不必要浪費且降低存貨及縮短客製化產品交貨時間效益等。


不管是「先進製造技術」或「工業4.0」,智慧工廠的概念都是根基於自動化技術,由自動化技術往上延伸,而且其延伸應用已不僅止於製造系統,廠房的廠物管理系統也成為智慧工廠的重要應用之一。


智慧化與自動化的差異


在此先來談製造的智慧化,誠如前述,智慧化根基於自動化技術,截至目前為止,自動化技術仍是各製造現場的支柱,其系統設計也與傳統的消費習慣習習相關,以往的消費性產品樣式不多,但是需求量大,其少樣多量的特色,讓自動化系統與豐田式管理結合,在系統導入初期就將流程設定最佳化,讓產線排除一切可能變動,以固定的速度產出產品,後來消費性產品市場出現變化,現在的產品無論大量或少量,都講究多樣化,前者代表性產品為智慧型手機,其市場需求是多量多樣,後者則是有客製化需求的產品,像是台灣的工具機或產業機械,這類產品針對導入者的不同需求客製化產品,「量」雖不大,不過「樣」絕對要多。


市場需求模式的改變,刺激自動化技術的升級,「智動化」成為設備業者必走之路,何謂「智動」?望文生義就是「具有智慧的動作」,但怎樣才叫「有智慧」?目前市場還沒有共識,不過各自的說法和解釋仍有交集,「智慧化」既是擬人的概念,市場對它的期望就是要有別與以往的自動化只能一再進行重複動作,「智慧化」必須具有一定的判別能力,能主動針對不同產品與狀況而做出不同動作,如此才能因應市場產品多樣化需求的同時,又能兼顧產線效率。


要達到「智動化」願景,必須在設備的軟硬兩端都有所改變,軟體端就是管控平台的進化,以往的管控平台多只是透過各機台的通訊鏈接,掌握生產線各節點的狀態,智慧化管控平台除需具備此一原有功能外,還要能主動預估各節點的可能會遇到的狀況,例如當某設備的運作達到一定時間時,故障率就大增,在此一時間點前,系統就會主動告知管理者,提前維修該設備,硬體部份則是讓各端點設備有一定的判斷能力,以前的自動化設備不是各端點的效能簡單,交由後端系統統一管理,就是端點的能力強大,但設備間並沒有相互鏈接,彼此各行其是,智動化設備講究互通與效能兼具,各端點設備可以自行判斷運作,同時彼此又相互串連整合,如此一來整體系統的效能將大幅提昇。


廠務系統 綠色思維


至於廠務系統,主要是藉由感測與自動化兩類控制技術的整合,落實綠色思維,系統不但可以精準監測廠房的能源狀況,減少成本消耗,更增加生產效率。


廠務系統的運作方式可說是現在物聯網概念的先驅,其作法是在能源輸出入點設置感測器,負責監測各點的能源狀況,各端點的感測器再將訊號傳回後端系統儲存,以利管理、控制,並累積為歷史資料,攻其分析制定出能源使用策略。


廠務系統過去多為規模較大的廠房如煉鋼廠、晶圓廠所使用,主要原因於這類廠商的能源使用量大,對企業的影響甚鉅,必須全面掌握,以使其能源使用最佳化,現在的廠務系統主要管控的對象有三,包括電、水、空氣,電力管控方面,電能是製造業的最大能源支出,一般的作法就是隨需求任意啟動,廠務管理系統則可透過各點的監測資料,配合電力公司的用電費率,制定出最佳的用電策略,至於水與空氣的監控,多數是用來監測此兩項物質的排放量排放去處,現在的環保意識高漲,各國政府對製造業都訂有相當嚴格的管制法規,一旦有違反情事,常會被處以及高額的罰金,以2013年年底高雄日月光K7廠排放廢水事件為例,廠房在廢水排放時,水量與排水去處都必須全程紀錄,當政府人員前來稽查時,廠方必須提出過去所累積的歷史資料以為佐證,當然紀錄有可能為有心人士所更動,因此這類的廠房系統都必須設有一定權限,以使紀錄達到完全的客觀與公正,對製造業而言,廠務系統的最大效益,除了減少能源費用的支出,還可進一步保護企業本身,使之受到最少的傷害。


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