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技術趨勢論壇剖析工業4.0浪潮
轉型智慧製造勢在必行

【作者: 編輯部】   2017年05月23日 星期二

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工業4.0已是全球製造業必然趨勢,從過去設備各自運作發展至今結合資通訊技術互相串聯,新世代的製造系統從自動化轉型為智動化,因應智慧機械趨勢,SmartAuto智動化雜誌於2017年台北國際工具機展(TIMTOS 2017)期間,特別舉辦「智動化時代來臨-工業4.0技術趨勢論壇」,邀請製造領域各指標性廠商與重點人士,剖析工業4.0的技術趨勢發展。



圖一 : SmartAuto智動化雜誌特別舉辦「智動化時代來臨-工業4.0技術趨勢論壇」,剖析工業4.0的技術趨勢發展。(攝影∕邱倢芯)
圖一 : SmartAuto智動化雜誌特別舉辦「智動化時代來臨-工業4.0技術趨勢論壇」,剖析工業4.0的技術趨勢發展。(攝影∕邱倢芯)

全球製造業新風向

從全球製造業未來的發展趨勢來看,工研院機械所智慧系統技術組組長鍾裕亮表示可從四大方向來看,其一是大量客製化,鍾裕亮認為將來客製化的需求程度將會非常高,種類式樣繁多,但傳統的製造方式恐怕已無法應付如此多樣化的需求。而智慧製造講求產業縱橫向乃至於整個生態系統的整合,因而不再是單向模式的製造,而是透過上下串連整個供應鏈來藉此提升效率,更可進一步縮短交期。


其次是整體製造環境邁向以人為本的思考方向,鍾裕亮以歐美大廠舉例,其現今早已不再只是研究於怎麼開發成無人工廠,反而更聚焦於人跟機器間該如何互動與搭配才能有效提升效率。而未來產品導向則會逐漸走向客戶高度參與製造的模式,打造出個人風格,如客製化筆電、專屬球鞋等。最後則是製程的可視化,在製造過程中存在著太多變數,因此若沒有適當的監控將會影響整體製造效率。



圖二 : 工研院機械所智慧系統技術組組長鍾裕亮從四大方向來看全球製造業未來的發展趨勢。(攝影∕廖家宜)
圖二 : 工研院機械所智慧系統技術組組長鍾裕亮從四大方向來看全球製造業未來的發展趨勢。(攝影∕廖家宜)

復盛從空壓系統看工廠能源設計趨勢

空壓機製造商復盛公司產品經理郭維仁以空壓系統為切入點,分享工廠能源管理與節能改善策略。空壓系統和工業4.0乍看之下好似無任何關聯,但郭維仁分析,由於一般工廠最主要的能源來自於油、水、電、氣四個面向,因此空壓系統在工廠營運當中是不可或缺的一部分。而未來產線伴隨對自動化設備需求的提升,相對也會使空壓系統的需求隨製程改善而一併提升,如何從工廠設備本身進行有效的能源管理,對於企業的整體營運有極大的助力,尤以近年因應工業4.0發展,「節能減碳」更是全球力行倡導的趨勢。


而針對空壓系統,郭維仁根據美國能源局針對空壓機的統計數據來分析,若以五年期成本計算,其中購置成本只佔了10~20%,而運轉成本(也就是電費)則是佔了70~80%,而郭維仁指出,這當中仍有15~35%的節電空間醞藏在裡頭。歸納出造成能源浪費的主因,郭維仁則是分依是因其設計不良、操作不當、管理不善等三大方向,其中,管理不善所佔的比例更是高達55%。


那麼如何針對空壓系統進行能源的改善與管理?郭維仁從九大方向深入解析,分別是擺放空間、機房的通風、冷卻系統、空壓機控制方式、保養、乾燥機、空氣桶、精密過濾器及管路佈置等,希望藉由改善能源的耗損浪費,提升工廠整體營運效率並降低成本。



圖三 : 空壓機製造商復盛公司產品經理郭維仁以空壓系統為切入點,分享工廠能源管理與節能改善策略。(攝影∕廖家宜)
圖三 : 空壓機製造商復盛公司產品經理郭維仁以空壓系統為切入點,分享工廠能源管理與節能改善策略。(攝影∕廖家宜)

NI實現工廠智慧管理

諸如發電機、變壓器、馬達等都是工廠常見的重要設備,是「賺錢的工具」,而如何維護這些有價值的產品對於工廠經營者來說也至關重要。智慧工廠的優勢正是在於能夠為設備預先進行健康狀況診察,以降低設備故障的發生機率,如同「防範甚於治療」。但國家儀器(NI)業務工程師葉俊寬指出,傳統人工巡檢方式容易出現如易出錯、費時、效率低等的缺點,未來可透過導入智慧維護系統的方式改善。


葉俊寬進一步指出,所謂的智慧化維護系統主要是透過先進的感應功能來偵測設備正常與否,並透過整合性系統,彙整蒐集各產線的數據以觀察問題設備的來源,最後透過與IT設備的整合達到線上連續監控,偵測退化以預防故障,透過上述三大面向來實現智慧化的監控環境。NI在自動化量測領域有超過30年的專業經驗,且針對聲音與振動分析也提供相應的專業軟硬體產品,葉俊寬即以NI的設備狀態監控系統InsightCM舉例,說明智慧維護系統的整體運作,該產品是一套高整合度的軟硬體解決方案,用於線上狀態監控,可讓公司在操作與維護設備時,增加對於機械健康狀態的洞察力。


InsightCM透過CompackRIO系統為各種感測器資料擷取的平台,包括加速度計、位移、溫度、電壓和電流等感測器以及I/O控制器,協助管理人員有效收集與分析量測資訊,以便即時了解工廠機台的狀況是否良好,使自動化設備發揮最大效率。



圖四 : 國家儀器(NI) 業務工程師葉俊寬指出,透過先進的感測功能、整合性的系統彙整數據以及與IT設備的整合可實現智慧化的監控環境。(攝影∕廖家宜)
圖四 : 國家儀器(NI) 業務工程師葉俊寬指出,透過先進的感測功能、整合性的系統彙整數據以及與IT設備的整合可實現智慧化的監控環境。(攝影∕廖家宜)

英特蒙軟體控制 節省硬體成本

英特蒙亞太區業務與行銷副總裁洪育浩觀察未來工業4.0的發展,特別強調其最重要的關鍵在於軟體而非硬體。因此,洪育浩即以英特蒙KINGSTAR平台為例,分析軟體自動化平台的應用,洪育浩表示,透過軟體自動化平台,未來可協助節省很多包括開發與維護等的硬體成本。


英特蒙以提供RTX64即時作業系統著稱,許多國際知名大廠皆是其重要合作夥伴,而其所研發出的KingStar軟體平台即是由於底層是此高階即時系統,因此可展現絕佳的即時性能與執行效能。洪育浩指出,KingStar具有可高度整合的優勢,由於各式硬體設備品牌眾多,包括軸卡、影像擷取卡或攝影鏡頭等,在走向整合之路上定會遇到許多難題,而此平台可滿足使用者將所有設備整合至一台電腦,充分使用其效能。


而KingStar平台可快速切入EtherCAT應用,用軟體控制方式,滿足運動控制、視覺、I/O等需求。而除了高度整合之外,KingStar平台的隨插即用與工業標準完全彈性的特點,也為使用者帶來更友善的使用環境。此外,由於KingStar以Windows系統為主,因此任一Windows base的電腦皆可使用。洪育浩指出,使用KingStar平台最大的好處是所有的硬體都可由使用者依需求自行決定,擁有非常大的彈性,使用者不會有被綁系統的問題,過去一旦遭受限制,其都是會直接反映在成本考量上,但如今選擇彈性變得更加廣泛,就可因此協助節省更多成本。



圖五 : 英特蒙亞太區業務與行銷副總裁洪育浩觀察未來工業4.0的發展,特別強調其最重要的關鍵在於軟體而非硬體。(攝影∕廖家宜)
圖五 : 英特蒙亞太區業務與行銷副總裁洪育浩觀察未來工業4.0的發展,特別強調其最重要的關鍵在於軟體而非硬體。(攝影∕廖家宜)

施耐德協助企業善用電力資產

在經營工廠的過程中,管理營運成本與提高製程良率多為經營者最為密切關注的兩件事,然而施耐德電機亞太區能源管理系統行銷經理陳如芃則認為,基礎電力系統是否穩固、又或者關鍵設備是否可在穩固的電力狀態下正常運行等面向,反而才是最基本的考量。而過去管理製程系統與廠務系統的人員各司其職,若要真正深入了解上述所說的面向,則雙方須做到即時溝通與互相交流。


且過去廠務端的應用較著重在總務性質的工作內容,然而現今對於廠務的要求越趨多樣化,從營運目標與效果檢驗、整體策略發展、預知未來能源用量與費用到與各層級的工作人員溝通等等內容十分繁複。陳如芃即以施耐德電力監控軟體PME為例,進一步舉例該軟體可從能源成本管理、能源使用最佳化、電費單驗證、擴增生產線時電力的負載管理到想辦法降低斷電時間等幾大方向,並透過硬體的搭配,來協助廠務端找出最佳化策略以協助企業善用電力資產。


西門子打造數位製造願景

自2000年以來,全球五百大企業中,已有超過半數企業消失在產業中,根據分析,沒有順應數位化轉型的潮流,是造成「陣亡」的主要原因。在此趨勢下,西門子則是深入探討數位化製造的應用與其對工業4.0的重要性,西門子的目標,即是希望透過數位化,賦予製造業者實現產品創新。


凱德科技技術顧問蔡仕恒則是認為,客製化的需求在未來將會大幅提高,同時這也是一塊值得發展的重點領域。從施振榮的「微笑曲線」來加以說明,蔡仕恒闡述西門子以數位化企業軟體,透過數位化製造提升原先附加價值最低的加工製造領域。該軟體涵蓋產品設計、生產規劃、生產工藝、生產執行與服務等整體生命週期,建立起單一整合性、數位化的企業平台,將虛擬與實體世界結合起來,並協助縮短產品從設計到上市的時程。


舉例來說,西門子的產品組合協助義大利超跑車廠瑪莎拉蒂數位化其生產製程,協助其產品發展和生產流程,從設計、計畫、工程到生產和服務。瑪莎拉蒂在導入西門子的數位化的解決方案後,大幅減少新車30%研發時間,從跑車開發到產品上市僅花了16個月,同時產能躍升3倍。



圖六 : 西門子深入探討數位化製造的應用與其對工業4.0的重要性。(攝影∕廖家宜)
圖六 : 西門子深入探討數位化製造的應用與其對工業4.0的重要性。(攝影∕廖家宜)

工業4.0之下的控制器發展趨勢

從串聯資訊技術的工業3.0時代進階到講求智慧化的工業4.0,控制器的面貌也有了全新的發展。致茂電子智慧製造系統事業部處長吳樞俊表示,過去工業3.0時代,由人單方面下指令進行資料蒐集,基本上控制器的信號都是垂直的,也就是說僅能做到垂直溝通,且控制器只負責傳遞資訊,無法做邏輯判斷,也只能依靠SCADA平台。


但吳樞俊觀察,因應工業4.0的發展,未來的智慧控制器將具備諸多特點,即具備工業網路通訊的能力、各控制器間也能進行水平垂直式的相互溝通、且具有情境辨別與邏輯判斷能力,此外,更具備多種通訊協議,使之可與不同種類的硬體設備進行通訊,並且內部的智慧核心還可自行更新等,使智慧工廠形成一能夠資料上下串聯整合的平台。


此外,吳樞俊也表示,未來工業4.0的智慧控制器亦可創造出許多新的應用方式,例如進行串聯式的資料收集,控制器間可相互傳遞資訊,不用全部詢問後台資料庫以節省網路流量;或是產線SOP動態更新、收集製程資訊通知其他控制器自動調整製程參數;此外,環境監控、人員管理 安防監控與門禁管理等亦可透過控制器變成物聯網的一環。



圖七 : 致茂電子智慧製造系統事業部處長吳樞俊觀察,從串聯資訊技術的工業3.0時代進階到講求智慧化的工業4.0,控制器的面貌也有了全新的發展。(攝影∕廖家宜)
圖七 : 致茂電子智慧製造系統事業部處長吳樞俊觀察,從串聯資訊技術的工業3.0時代進階到講求智慧化的工業4.0,控制器的面貌也有了全新的發展。(攝影∕廖家宜)

工具機智慧化 結合機台特色

面對工具機智慧化的發展趨勢,財團法人精密機械研究發展中心智慧應用技術部副理吳家進認為,在日本與歐洲兩大地區的製造業方面,皆偏重以控制系統為基礎,並搭配自主開發的控制器;以結合機台且具特色的智慧化機台;且偏好對話式、視窗式,以及可觸控式的友善人機介面(HMI);希望工具機可搭配CAD或CAM軟體,以進行加工模擬與最佳化。


另一方面,台灣製造業者愛好採用日、歐系的控制系統,但在人機介面則是喜好客製化的HMI,控制器則會採用國產產品,且會自主開發智慧化相關系統功能。


提到工業4.0就不得不提到工業機器人/手臂,在此一波工業機器人的應用趨勢中,KUKA機械自動化產業業務經理郭青庭表示,手臂須也須具有連網功能,也就是說裝置須具有開放性,藉此廠區資訊可被通透,搭配上可視化介面,更可完善智慧機械的願景。


此外,郭青庭也提到,目前全世界工業機器人使用密度最高的行業是汽車廠,從零組件的裝配與布線皆可使用機器手臂完成;不過因為汽車行業在歐美地區較為發達,在亞洲方面,機械手臂採用率最高的則是電子業,快速發展且使用率有上揚的趨勢。


軟硬整合開創智慧製造新商機

若是談到物聯網(IoT)或是工業物聯網(IIoT),廠商第一個想法不外乎即是前端設備產生數據,透過通訊協定(Protocol)的傳輸,上傳至私有雲或公有雲等雲端平台。「現階段許多客戶只有做到這個部分。」宜鼎業務處軟體技術服務部經理吳志清說明,對於工業4.0而言,最重要的部分應該是要如何將這些資料透過人工智慧加以分析,因為這才是最具有價值的部分。


吳志清解釋,在工業物聯網中,可分為四個階段:第一,設備的資料收集,這一部份大約從2016年開始,陸續已有多家廠商著手相關項目,無論是手臂或是設備的資訊收集,並上至雲端;其二,資料的傳遞,資料有效地傳輸及過濾也相當重要。


第三,分析,也就是如何將數據分成為有效資訊,吳志清表示,此一階段開始較少廠商會著墨;最後則是決策,為了達到此一階段,企業必須要有自己的生產模式,才能加以判別需要哪些資訊,而後才能回饋到設備應用端上。吳志清認為,這四個階段實際上是一個循環。


吳志清表示,許多硬體製造商只單純銷售硬體,但是遇到軟體問題卻無法有效解決,面對全世界颳起了一陣工業4.0風,該公司成立軟體團隊以協助硬體製造商將軟硬體整合,以完成一部可上線生產的智慧化設備。



圖八 : 宜鼎業務處軟體技術服務部經理吳志清認為,對於工業4.0而言,最重要的部分應該是要如何將這些資料透過人工智慧加以分析。(攝影∕邱倢芯)
圖八 : 宜鼎業務處軟體技術服務部經理吳志清認為,對於工業4.0而言,最重要的部分應該是要如何將這些資料透過人工智慧加以分析。(攝影∕邱倢芯)

台達綠色思維 讓製造業更友善

智動化的時代來臨,意味著能源的重要性,綠色智慧製造才是延續製造業生存的根基。台達電子綠色智慧製造事業處經理張家毅說明,該公司的台南與桃園研發中心自2005年開始,已採用綠色建築方案。


為什麼工業4.0時代來臨即需要導入機器人設備,這之中又會面臨哪些挑戰?張家毅表示,若是想導入機器手臂,首先須解決的即是能源的問題。且硬體背後仍須軟體的支持,該公司導入了許多應用軟體,例如能源管理、製造執行系統等,這些軟體這才是工業4.0背後的精神所在,廠區中徒有硬體設備,而不去思考機械手臂要如何運作、效率為何,不只需要人員寫入程式,軟體也相當重要,因為軟體及相當於設備的大腦。


Autodesk 3D平台 精準規劃產線

此波工業4.0風潮也為製造產業帶來了嚴峻的挑戰,歐特克(Autodesk)製造業技術經理黎煥治表示,目前仍有高達70%以上的傳統製造業者,設備產線僅用2D平面布局。


黎煥治認為,2D的工廠設計可能會忽略掉許多潛在問題,且此種傳統提案方式難以勝出競爭對手,最重要的是,規劃與實作所產生的落差將會導致設變成本增加。


黎煥治解釋,廠商若是想要步入工業4.0之路,該公司可利用五種方式協助客戶邁向產線3D布局。一是導入已規劃製程及工時的Excel,以達到產線平衡分析即自動建模;二、利用既有的2D布局作為底稿,排布3D設備,也就形成積木式3D設備模型排布。


第三,廠商須針對人因工程加以模擬與作業研究,因為人因工程與作業研究對生產效率相當重要;四,逆向建構既有已竣工產線,也就是既有的產線可利用雷射掃描方式重建;最後則是以擬真的作業過程渲染動畫呈現3D布局結果。以3D立體模擬布局的方式,來協助客戶真正邁入工業4.0之路。


OMROM智慧製造 讓設備更穩定

當德國喊出工業4.0的口號之時,也意味著感測器的重要性將更在上一層樓。歐姆龍(OMROM)感測器產品經理曾重仁表示,邁向工業4.0的時代,物聯網大數據的收集與活用將變得相當重要。


曾重仁認為,從現場收集大數據並使用雲端加以存放這是一般人對於工業物聯網的認知,但是該公司認為,進一步地資料分析與情報處理,並且利用現場設備控制情報加以反饋,更是工業4.0的目的所在。


面對工業4.0所吹來的風潮,在新興國家的技術人才不足無法對應急遽擴大的市場且全球競爭越趨激烈的背景下,對於產能的需求必須不斷提升;在台灣方面,曾重仁表示,台灣在全球製造工業的角色落在生產技術研發、品牌代工OEM,以及品牌供應鏈上。該公司可提供台灣製造業者生產現場端的可視化技術、商品及服務,以製造業使用者達成「不停止生產」的期望。


曾重仁說明,該公司可提供客戶工廠製造現場端的生產設備上控制器元件資訊智慧且可視化的技術。並透過設備的資料收集、分析製程數據、異常監視,以提升設備運轉生產效能;也就是利用設備數據,以提供經營管理者活用。



圖九 : 歐姆龍(OMROM)感測器產品經理曾重仁表示,邁向工業4.0的時代,物聯網大數據的收集與活用將變得相當重要。(攝影∕邱倢芯)
圖九 : 歐姆龍(OMROM)感測器產品經理曾重仁表示,邁向工業4.0的時代,物聯網大數據的收集與活用將變得相當重要。(攝影∕邱倢芯)
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