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制造新革命 物联网催生未来工厂
工业4.0蓄势待发

【作者: 丁于珊】2015年04月16日 星期四

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多年前,在COMDEX展会当中,微软总裁比尔盖兹曾与GM总裁有过一段有趣的对话,当时比尔盖兹在一场演讲中,将电脑与汽车两个产业的发展速度做了比较,他开玩笑地说,若汽车技术能与电脑产业般进步飞快,那么我们也许已经可以用25美元的价格买到一辆汽车,且一加仑的汽油可以跑上一千公里。


对于比尔盖兹的此番言论,GM总裁也不甘示弱回应道,如果汽车像微软般的发展,那你的汽车在没有任何原因的情况下,一天会当机两次,当环境设定改变或者作业系统更新,你就要重新买辆新车,甚至你的车子可能突然关机,而且无法重新开机。尽管这只是两个总裁的玩笑话,但也反映了ICT与精密机械两大产业截然不同的发展情况。


在身处于科技瞬息万变的时代当中,过去30年来,ICT产业进步的速度,不管在容量或者网路传输速度都达到了百万倍的成长,而CPU的处理运算也以千倍甚至十万倍的速度在进步。


然而对比讲求高速的ICT产业,要求高精准度、可靠度的机械产业及精密工业脚步远落后于ICT。工研院机械所智慧系统组组长钟裕亮表示,如何将ICT产业的优势与机械工业结合,将会是未来工厂重要的议题,而这也是工业4.0的关键之一。



图一 : 工业革命演进历程
图一 : 工业革命演进历程

IOT引领第四次工业革命

由于劳动成本不断高涨、人口高龄化、制造业永续发展、欧洲中东变数等,让全球制造业面临许多不稳定因素的挑战,高度仰赖人力的产线虽然解决了产品生命周期短以及产线频繁更换等问题,但对于制造的可靠度以及效能提升仍有限。为了解决这些挑战,全球的制造业正迎向新一波的革命浪潮,不少业者希望能够透过自动化来达到更有效率的生产方式。


随着科技日益进步,影响了工业的发展过程,随之而来的工业革命带来了巨大的变革。在第一次的工业革命中,以蒸汽取代人力和畜力;电力的广泛应用促成了第二次的革命,开启大规模生产的时代;第三次工业革命的推力则来自3D印表机、自动化工厂等议题,可望促进另一波的经济发展;如今,工业大国德国计画以物联网及智慧工厂引发第四次的工业革命-工业4.0 (Industry 4.0)。



图二 : 全球的制造业正迎向新一波的革命浪潮,不少业者希望能够透过自动化来达到更有效率的生产方式。
图二 : 全球的制造业正迎向新一波的革命浪潮,不少业者希望能够透过自动化来达到更有效率的生产方式。

当加入智慧化的条件后,工厂里的机器人不只是单调的做着重复的动作,而是可以相互沟通、互动且联网,并透过云端巨量资料的分析,做出快速且正确的判断,而后更进一步地建立起智慧工厂,以达到少量多样化、客制化且更有效率的生产方式。


因此,智慧自动化已成为各国政府强化制造业的重要发展项目。许多专家认为,智慧工厂将彻底改变生产方式,而物联网将加速推动这样的趋势发展。


工业4.0是以物联网为基础而开始的一场革命。

产业转型 启动智动化生产

在这样的趋势之下,德国政府制定出工业4.0高科技战略计画,并且投入2亿欧元的资金,透过虚实整合,让制造业电脑化、数位化及智慧化,其涵盖了智慧工厂、工业网路系统、IT系统、生产链的自主控制。



图三 : 工业4.0透过虚实整合,让制造业计算机化、数字化及智能化。
图三 : 工业4.0透过虚实整合,让制造业计算机化、数字化及智能化。

简单来说,工业4.0是以物联网为基础而开始的一场革命。研华电子董事长刘克振指出,物联网应用范围涵盖零售、医疗、城市、消费电子等各个领域,而在工厂里的物联网则被称为工业4.0,将带来更为灵活的生产方式。


除了德国之外,不少国家也都推出相关政策,例如美国在2013年启动「Advanced Manufacturing Partnership (AMP)」计划,进行先进制造研发,而美国的产学研各个单位也组成SMLC(Smart Manufacturing Leadership Coalition,智慧制造领导联盟),提出智慧​​制造的推动计划。日本在2014年推动「机器人国家发展计画」,发展人机共存的未来工厂,韩国也在同年推动「机器人发展计画」,发展下世代的智慧工厂。


台湾则在2011年提出「智慧自动化产业方案」,发展人机协同、智慧自动化弹性生产。而GE也以工业互联网(Industrial Internet)的计划,要整合工业设备与与数位革命的运算、资讯、通讯系统等,GE认为两者的结合将带来三大要素- 智慧机器、先进分析以及工作参与者,这三项要素将会展现出工业互联网的本质。


工业4.0带来革命性生产模式

工业4.0除了带来生产效率之外,同时也改变传统制造业者的思维。当智慧生产真正落实后,将会对目前的生产方式带来巨大的变革,并彻底改变制造业的模式。钟裕亮表示,由工业4.0所引发的制造业大趋势包含大量客制化、以人为中心的制造环境、客户高度参与制造以及制程可视化等四大趋势,而这些趋势都意味着工厂智慧化的必要性。


1. 大量客制化

当工厂与物联网串连之后,刘克振表示,以往大量、标准化生产的型态将渐渐转变为少量多样、分散式的客制生产,「早上一张衣服订单从欧洲下来,下午在大陆的工厂就已经打样完成,进入准生产阶段。」


在第二次工业革命中,福特汽车创造出流水生产线的制造模式,迎来大量制造的时代。然而,在进入工业4.0时代后,个性化产品将会越来越多,钟裕亮指出,未来产线上将难再有同一件产品大量复制的机会,工厂的生产模式将转变为少量多样和客制化。


根据调查,未来工厂内的每一条产线将会生产出数十到数千种不同的产品,为了因应产线上多样性的变化,工厂布建将必须非常弹性化,并且仰赖人机协同,透过ICT技术协助产线人员做出快速且最佳的选择。



图四 : 为了因应产在线多样性的变化,工厂布建将必须非常弹性化,并且仰赖人机协同。
图四 : 为了因应产在线多样性的变化,工厂布建将必须非常弹性化,并且仰赖人机协同。

举例来说,西门子位于德国Amberg的智慧工厂,透过高度整合的自动化系统,厂内的每条生产线每小时可以制造15万个电子元件,16条产线能够制造?950项不同的产品,且在同一条产线中能够针对不同的订单、需求生产出客制化产品。


2. 以人为中心

相较于过去的工厂自动化,工研院副院长张所鋐指出,工业4.0最重要的关键就是智慧化,这改变过去机器、电脑与人脑各自为政的情况,在工业4.0环境会更加仰赖人脑,用人脑累计的知识来操控电脑。


除此之外,另一大改变为产品主导生产流程,而非产品随着产线移动,人员站在固定位置,不断做出重复的动作。在智慧化工厂中,除了机台设备智慧化之外,产品本身也具备记忆体,记录每个加工环节,并将资讯传达给机台,让下一个机台可借此做出回应,因此人员不必占再固定位置,而是带着产品到不同的机台做不同的加工。


钟裕亮表示,这样的方式让工厂不再需要大规模的流水产线,减少了占地面积,因此工厂将能够设置于都会地区,这也是德国认为工业4.0能够实现的三大愿景之一- 都市生产(另外两个为智慧生产、绿色生产)。


3. 客户高度参与

在产品制造或加工过程中,若能够加入客户意见反馈,并随时调整加工环节,将能够生产出更贴近顾客期待的产品。因此,在外来的智慧工厂,从设计到生产都需要客户的高度参与,而这必须透过ICT网路通讯,让客户能够随时线上查询产品加工动态、设计状态,客户也能够随时提出意见。



图五 : 制程可视化可在制造过程中,透过在线监控,随时了解加工状态。
图五 : 制程可视化可在制造过程中,透过在线监控,随时了解加工状态。

4. 制程可视化

要做到让客户高度参与产线的加工环节,同时也意味着将制程可视化,才能让客户随时了解产品资讯。可视化包含了制程资讯、品质检测资讯、加工状态等,这将会是未来工厂的关键之一。可视化改变以往产品加工完后才进行品管及品检的流程,而是在制造过程中,透过线上监控,随时了解加工状态。


工业4.0三大障碍-通讯标准、安全、人员培训

除了这四项趋势之外,工业4.0还带来许多改变,例如透过巨量资料达到预兆诊断、解决就业人口高龄化问题、绿色生产等。



图六 : 工业4.0能够透过巨量数据达到预兆诊断,藉此降低设备维护成本,并提高生产效率。
图六 : 工业4.0能够透过巨量数据达到预兆诊断,藉此降低设备维护成本,并提高生产效率。

钟裕亮表示,整合智慧工厂、智慧产品、智慧资料与智慧服务四个因素才能达到真正的智慧制造,这四大因素密切相关且缺一不可。不过这些都必须仰赖ICT技术,因此尽管大多数人都希望能够看到智慧工厂的具体效益产生,但在德国电气电子及信息技术协会(VDE)中,仅有五分之一左右的会员相信工业4.0在2020年会大规模出现。


问题在于,和前几次由新的硬体设备、技术所带来的工业革命不同,工业4.0是由网际网路所带来的第四次工业革命。也因此,有66%的受访者认为IT安全是一大挑战,当企业的IT系统连上网路,随时可能有一些未知的威胁出现在仓储管理系统、机器设备或供应链当中。


而通讯网路也是实现工业4.0的重要关键,但是要建立一个让所有组织都能够配合的网络,必须要有一个一致的介面、通讯标准和规范。德国研究顾问委员会Forschungsunion指出,目前许多标准都还未建立,例如工业通讯、工程、IT安全、数位化工厂、设备整合等都还未被纳入整体参考架构中。



图七 : 通讯标准语控制系统技术
图七 : 通讯标准语控制系统技术

就台湾市场来看,钟裕亮表示,除了半导体产业有共同的通讯协定跟标准外,目前普遍的机台设备还未有固定的通讯标准,这对于不同产业机器的连线是一大问题。


除此之外,当智慧生产真正落实后,将会对制造管理系统带来巨大的变革,且势必变得更为复杂,包括整体的生产物流、人机协同作业等改变,也让员工培训更显重要。


台湾产业因应策略

面对这一波新制造革命浪潮,台湾过去在电子产业发展相当有潜力,并且拥有完整的供应链,这对于台湾电子业在进入工业4.0来说,具备很大的成长潜力。苏孟宗认为,台湾在零售、纺织、金属加工等市场领域较有机会能够走在前端。


然而,针对台湾市场来看,刘克振坦言,台湾缺乏大型的系统整合(SI)公司,目前SI业者占有80%的物联网产值,足以显见其重要地​​位,因此在工业4.0世代,台湾必须要育成大型的SI公司,这部分必须由工研院或是政府单位来负责执行。过去台湾在发展半导体产业后,就带动台湾半导体设备产业成长,未来在工业4.0的转型升级驱动下,台湾的制造业、设备业及ICT产业也势必会出现成长契机。


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