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工業機器人AMR串連關鍵移載平台
打造無線智慧工廠成顯學

【作者: 陳念舜】   2020年12月08日 星期二

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自從2020年6月底台灣5G正式開台以來,除了檯面上3大電信營運商撒錢競標大戰,讓人津津樂道之外;更重要的還是接下來該如何落實垂直場域應用加值,逐步降低上下游初期建置成本,無線智慧工廠既是其中選項之一,COVID-19疫情無疑更加速成長,整合協作型工業機器人、自動搬運車的AMR裝置將扮演關鍵移載角色,帶動相關領域成長!


觀察現今台灣製造業因為沿襲工業2.0~3.0時代以來,福特流水線式生產或豐田精實生產管理(TPS)機制,凡是牽扯到生產命脈流動的環節,越具有導入的急迫性,所以聚焦於生產線最佳化、移動設備與物流管理等,將是5G應用最早在工廠落地的3大領域。尤其是移動設備更顯急迫性,傳統自動化工廠中的自動搬運車(AGV)既屬於移動設備一環,用來執行產線之間物流搬運;在搭載輕量化、協作型機器人之後,更有助於生產最佳化。


相較於現行4G通訊技術,5G技術因具有超高頻寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、廣連結通訊(mMTC)3大優勢,未來在智慧製造領域可創造的利基應用,包括:機器人控制(特別是移動機器人)、擴增實境與虛擬實境應用、品質檢測與設備即時控制回饋,以及環境與人員狀態監控警示等。


其中,在工業機器人控制應用上發展的趨勢,包括與多種感測裝置(例如視覺)整合、結合邊緣(機器人本體)與雲端控制、透過機器學習自主更新功能、強化與人機協作時的安全性、眾多機器人間協同合作,以及自主移動等,具體效能包括:


1.快速建立、更換、強化個別機器人的能力,以及多個機器人之間的協同工作能力。結合5G、物聯網、機器學習、雲端平台,能針對不同的產品與製程需求,快速更新控制軟體;以及將個別機器人的機器學習結果、新的控制方案與技能,傳遞給其他機器人。即使位於同一工廠、產線上的機器人,也能以5G相互傳遞資訊,形成更具效能的整合式工作系統來完成任務。


2.提高人機協作時的安全性,機器人能將多種感測資料傳遞到遠端伺服器或雲端處理後,依據反饋控制來確保周邊合作人員的安全;並透過遠距即時控制,讓機器人能在特殊環境(例如高溫、高壓、輻射等)中長期工作。


3.提升自主移動機器人(AMR)的性能與車隊管理效能,由於比起傳統須預設磁軌與標誌,在固定線路運行的無人搬運車(AGV),AMR能在設定的空間內利用無線通訊來感測環境、處理資料與即時控制,防止碰撞而自動導引行駛、應用彈性大幅提高;加上在多數應用場域,會有數台到數百台AMR在相同空間內行駛,所以須藉助中央車隊管理系統及無線通訊指揮,5G將成為重要無線通訊應用方案。


根據Nokia預測,未來全球5G專網可能應用場域高達1,458萬個,其中就以工廠製造與倉儲中心的數量遙遙領先。旗下位於芬蘭Oulu的智慧工廠,已導入許多工業4.0與5G應用方案,包括物聯網分析、邊緣運算、數位分身(Digital Twin),以及AGV、工業機器人、機器視覺人員輔助、AR等,使整體生產力增加30%、新產品上市時間縮短50%,已被顧問公司麥肯錫與世界經濟論壇(WEF)評定為全球智慧工廠典範的「燈塔工廠Lighthouse」之一。


Siemens在2019年漢諾威工業展中,也展出「從自動化到自主式生產」的未來生產情境,將零組件與半成品,以及組裝用的工業機器人都放置在自主移動機器人(AMR)上,依據生產需求聚集到人員工作站旁,再透過人機協作方式完成產品製造組裝。



圖1 : 5G技術未來在智慧製造領域可創造的利基應用,包括:機器人控制、擴增實境與虛擬實境應用。(source:assets.new.siemens.com)
圖1 : 5G技術未來在智慧製造領域可創造的利基應用,包括:機器人控制、擴增實境與虛擬實境應用。(source:assets.new.siemens.com)

然而,目前廠內AGV多半採取Wi-Fi傳輸模式,屬於免執照的開放頻段,連線品質易受干擾,每當移動距離過遠,切換不同基地台就需要重新連線,造成AGV在移動過程指令中斷,嚴重影響到產線稼動率;其次是Wi-Fi具有資安風險,容易從外部破解。


因此,對於常需要跨廠區移動設備運行的半導體業者,對5G的部署就展現相當高的興趣。包括AGV、AMR或是天車(OHT),都是目前智慧工廠中相對率先導入5G的移動設備。在遠傳協助台達電於桃園龜山廠布建5G企業專網中,就以AGV透過5G訊號與管理平台交換資料,建立智慧物流調度系統,可同時指揮上千台AGV穩定執行搬運工作。


遠傳、台達電、微軟強強三方聯手 打造無線智慧工廠

日前由遠傳電信、台達電子、台灣微軟三方攜手打造的全國首座5G智慧工廠,分別借重遠傳以「大人物」(大數據、人工智慧、物聯網)專長,搭配5G 80MHz連續頻寬,結合台達創新智慧設備以及微軟先進雲端技術,初期將於台達桃園研發中心的智慧製造示範場域,導入AGV無人搬運車、AOI瑕疵檢測設備、雲端AIoT應用三大智慧應用,率先打造完整5G應用示範場域。


三方預計於台達桃園研發中心展示間打造的5G智慧示範場域,將運用AGV傳輸的5G訊號與管理平台交換資料,於生產過程中建立智慧物流調度系統,穩定執行物流搬運工作,將大幅縮減物料搬運次數及人力成本;並依據監測資訊即時下達指令,有效提高產能。



圖2 : 由遠傳電信、台達電子、台灣微軟三方攜手打造的全國首座5G智慧工廠,初期將於台達桃園研發中心的智慧製造示範場域,導入AGV、AOI瑕疵檢測、雲端AIoT應用三大智慧應用。(攝影:陳念舜)
圖2 : 由遠傳電信、台達電子、台灣微軟三方攜手打造的全國首座5G智慧工廠,初期將於台達桃園研發中心的智慧製造示範場域,導入AGV、AOI瑕疵檢測、雲端AIoT應用三大智慧應用。(攝影:陳念舜)

台達將在智慧產線中率先以三方合作開發的AOI瑕疵檢測設備為示範重點,遠傳5G智慧工廠專網,於產線佈建同一網路;利用5G高速、低延遲特性,即時傳送製程中檢測產生的巨量高解析度圖片資料,並進行大數據分析,快速遠端調整製程。因為資料不需經多節點即可回傳,大幅降低傳輸時間,有助於提高檢測精準度、產品良率與產能,期待未來能降低90%直接人工,將5G智慧製造經驗推廣到不同產業。


廠區規劃導入的智慧製造雲端AIoT應用,則是運用Microsoft Azure開放又有彈性的雲端運算平台,以及混合實境(MR)Microsoft HoloLens打造而生;透過5G串連工廠與產線,可幫助製造業快速取得、分析、視覺化大量的訊息,有效提升流程效率,實現工業自動化。


5G第一階段標準完成 即將啟動5A商機

另為了確保產線正常運作,透過新一代資通訊(ICT)技術推動工業自動化(OT)快速進階到智慧製造,生產設備也是5G相當重要的應用場景。尤其是在COVID-19加速數位轉型和生產無人化之後,未來高度自動化設備必須具備即時反應(低延遲)、溝通順暢(大頻寬)、多樣深入(廣連結)等特性,以實現工業控制與自動化系統、設備雲端化,機器人與人、AGV設備互相協作管理;以及可重構的協同控制、產線、無網路線工廠等,能讓雲端科技內建大數據分析的演算法技術(DT),以合理成本落實於產線,成為能真正同步提升ICT、OT、DT等核心競爭力的智慧製造產業。


工研院產科國際所研究員黃仲宏認為,AI/5G智慧自動化加值現今製造業發展,主要係奠基於3大核心定律:


1.摩爾定律(Moore's law),晶片上可容納的電晶體數量將以每18個月倍增的速度增加,提升運算速率;


2.吉爾德定律(Gilder's Law):網路通訊系統的頻寬會以每6個月增加3倍的速度成長,而消費者每單位的變動通訊成本將逐漸降低;


3.梅特卡夫定律(Metcalf’s Law),區域內的網路價值等於該網路內的網通設備(節點)數量的平方,又與聯網用戶數的平方成正比。


隨著國際標準組織3GPP於今年7月3日宣布完成第一階段R16標準之後,即將掀起各行各業無線商機熱潮,包含從架設企業5G專網開始,逐步落實於智慧製造5A領域等賦能創新應用。促使製造系統變得更彈性、有效率,於生產過程中經過實時監控,確保產能及品質穩定,克服產品生命週期短促的挑戰,來提升國際競爭力。


工研院預估全球2020~2035年間投資5G/6G領域將達到3.5兆美元,並藉此加持5A(AMR、AGV、AOI、AR/MR、AIoT)領域發展,衍生出15兆美元以上的市場規模。其中將協助產業發展智慧製造的應用領域,包含:工廠自動化,生產及運作自動控制與最佳化;處理自動化,物料、半成品處置的自動化決策;物流與倉儲,物料產品的運送、存放、取出;監控與維護,建立因果方法以分析生產良率高低。


舉例來說,3C電子產品(筆電、伺服器、網通設備)製造工廠將是最積極透過5G,建構可自主決策與反應的智慧製造,克服目前AGV、裝置聯網管理在產線遭遇瓶頸或產能變異時,不易調整與變異預期;避免因為使用人工檢測有一定的檢測誤判率,若採自動光學檢測(AOI)不同產品時,恐耗時開發新程序。


反之,在導入5G專網系統的整合架構及高傳輸、低延遲特性,可望讓3C製造工廠轉型為智慧工廠。近來英業達公司便採取獨立組網(SA)模式的開放式架構5G專網,既提供IoT應用所需的可靠連結與資安;同時透過虛擬化的網路軟體架構,降低建置維運成本,兼顧網路安全。5G AI-AOI的整合應用,也確實降低了零組件的誤判率,大幅提升基板直通率,約節省50%的AOI複判人力。



圖3 : 電子產品將是最積極建構可自主決策與反應的無線智慧工廠(source:smart-industry.net)
圖3 : 電子產品將是最積極建構可自主決策與反應的無線智慧工廠(source:smart-industry.net)

此外,目前已在台灣半導體業可見約2,000部AGV/AMR/OHT運行於台積電最先進製程廠,在4個棒球場大的場域裡的移動路線長達500,000km,每天接收8,000萬次指令。黃仲宏分析,過去AMR雖被看好能兼具OHT/AGV功能,卻因為關鍵LiDAR感測器及SLM無軌導航系統須仰賴歐日系大廠進口,導致均價高達500萬以上。


預估未來5年台灣市場出貨量約1,300部,但國際市場複合成長率將達到10%~20%,台灣自主移動式機器人供應鏈足以滿足電子科技業未來需求,其中開源系統、感測器會隨著Tokuyo、SICK競爭激烈,加入中國大陸後進者讓門檻逐漸降低,估計AMR每年降價5%~10%,建議可從後段製程切入。


但黃仲宏也坦言,現今產業要導入5G專網的成本極高,必須結合電信營運商,為製造業導入5G提升競爭力。並借助同時期並存的Wi-Fi6低耗能技術,協助落實工廠設備布建充足無線感測器,以達到有效監控和智慧化目的,還可減少布建特殊危險位置的感測器更換頻率;支援高速傳輸、多設備連結,適用區域網路,滲透率從2020年16%增加為2024年75%,包含網通設備、晶片、PA元件等年複合成長率(CAGR)約55%。


迎接後疫零接觸需求 掌握數位雙生商機

工研院產科國際所機械與製造系統研究部經理熊治民也建議,面對未來新的發展需求與營運環境,台灣機械產業需要精確掌握新商機,並加速企業體質改善與競爭力提升。關鍵議題與策略包括:


1.掌握因應疫情及區域生產帶來的零接觸(無人化及遠距)及分散式生產需求商機。例如基於聯網、雲端平台、擴增實境技術的生產設備遠距監控、健康診斷、遠距維修作業指引在疫情期間需求量暴增,以及應用在製造及服務領域的機器人與智慧自動化方案,需要更高的頻寬需求以達到即時傳輸與高解析度的影像,對於5G的需求也必然增長。。


2.發展、提供能協助製造業強化供應鏈韌性的各類機械設備與產生系統。例如具備高度應變彈性的模組化生產設備,以及透過數位雙生(Digital Twin)為客戶快速建置生產系統的客製化製造服務能力。


3.加速企業數位轉型。透過數位化工具與平台,提升設計、製造、銷售、服務等價值活動環節流程數位化程度,進而提高總體作業及營運效能、降低總體運作成本,以及開發滿足客戶需求與創造價值的新商業模式。


對台灣產業而言,5G可改善部分智慧製造應用方案運作效果,加速智慧製造實際應用的擴散,製造業也是5G未來重要的垂直應用領域,可透過相關應用方案推動,協助5G生態系發展。


長期提供全球客戶3D設計軟體、數位模擬和產品生命週期管理(PLM)解決方案的達梭系統(Dassault Systemes)台灣分公司資深技術經理許欲生指出,該公司目前在3DEXPERIENCE平台下建構的設計管理平台,即可於CAD設計階段納入模擬電控系統、馬達、管線等虛實比對;進而在正式生產前,導入各式機器人驗證或修改模擬及工藝流程,結合如ABB機器人整合多系統/機器、人機協同,在生產線上各工站的組裝程序、稼動率、cycle time等;接著經製造營運管理平台,讓業者MES掃瞄工單QR code即可生產。未來還能透


對於有意規劃5G智慧工廠的製造業者、AMR及網通設備供應商、電信營運商,達梭除了可藉其軟體,模擬驗證5G產品的天線及結構、基地台設計之外,還能兼顧其配置時高頻基地台、感測器密集的特性,建議安裝的位置、數量,避免受到廠內金屬機械設備或其他個人通訊裝置干擾、遮蔽訊號;甚至是電磁波對人體影響、熱管理對策等,確保傳輸效能穩定,提供AI機器學習(Machine learning)分析、預診數據。透過5G持續累積製程數據交換,與上中游供應鏈、國外客戶合作提供遠距維運等售後服務。



圖4 : 對於有意規劃5G智慧工廠的製造業者、AMR及網通設備供應商、電信營運商,達梭系統能兼顧其配置時高頻基地台、感測器密集的特性,建議安裝的位置、數量。(source:達梭系統)
圖4 : 對於有意規劃5G智慧工廠的製造業者、AMR及網通設備供應商、電信營運商,達梭系統能兼顧其配置時高頻基地台、感測器密集的特性,建議安裝的位置、數量。(source:達梭系統)

**刊頭圖(source:bosch-presse.de)


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