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燈塔工廠的關鍵技術與布局
迎接綠色製造

【作者: 季平】   2022年05月27日 星期五

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達成淨零排放的關鍵除了能源轉型,還包含減少產品「製造」,透過產品、零組件及材料循環運用,可以有效降低碳排,或者透過「提供服務」的方式創造產品價值。


聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)公布的氣候變遷報告(AR6)指出,全球約有33-36億人生活在極易受氣候變遷影響的環境中。溫度上升攝氏2度,全球約30億人將經歷「長期缺水」,18%的陸地物種將面臨滅絕風險;升溫攝氏4度,約50%的物種生命將受威脅。第26屆聯合國氣候變遷大會(COP26)強調,實現《巴黎氣候協定》,守住升溫臨界值攝氏1.5度,有助減緩碳排量,不過,減緩碳排只能延緩氣候變遷帶來傷害,零碳排才是根本之道。


智慧製造再升級,產線、營運都變綠了!

全球碳排量約55%來自能源生產及使用,45%來自工業、農業等製造加工過程。為響應《巴黎氣候協定》,全球產業積極推動2030年及2025年淨零碳排,如蘋果(Apple)宣佈,2030年起蘋果供應鏈淨零碳排到位,並已協助逾200家供應鏈業者改以再生能源運作,包含台灣的台積電、和碩、日月光、仁寶等業者;Google早在2007年已達成碳中和,2017年100%使用再生能源,2020年已抵銷所有碳足跡,並承諾2030年全天候使用零排放能源(carbon-free energy);半導體業者愛德華先進科技在2021年便積極設立SBTi目標,透過環境減排技術協助企業及客戶減少碳排;亞馬遜(Amazon)制定新計畫,計畫於2040年達成碳中和。



圖1 : 康寧(Corning)運用Conetoe的太陽能裝置產出清潔能源;右為奧勒岡州的Montague風電廠,是Apple迄今最大的再生能源專案之一。(Source:Apple官網)
圖1 : 康寧(Corning)運用Conetoe的太陽能裝置產出清潔能源;右為奧勒岡州的Montague風電廠,是Apple迄今最大的再生能源專案之一。(Source:Apple官網)

除了電,製造業是溫室氣體產生的大宗,特別是鋼材、混凝土及塑膠等材料,約佔總體的1/3。對於製造業來說,達成淨零排放的關鍵除了能源轉型,還包含減少產品「製造」,透過產品、零組件及材料循環運用,可以有效降低碳排,或者透過「提供服務」的方式創造產品價值,這兩種方式對製造業來說都是從工業3.5到工業4.0的「綠色轉型」。循環台灣基金會呼籲,「減少製造、提高資源循環運用」才是製造業因應 2050淨零排放的關鍵策略,建議企業積極投入循環經濟,發展低碳商業模式。


零碳排需要生產與供應鏈全面改造,不只蘋果、Google,微軟、Amazon、Meta等科技巨擘都陸續宣布加入碳中和與淨零碳排行列,台灣業者也積極響應綠色轉型,如台灣第四大碳排大戶台積電宣佈2050年內達成淨零碳排,未來30年,每年減少1000萬噸碳排;日月光、鴻海宣布2050年實現100%碳中和;台達電承諾100%使用再生能源,2030年推動碳中和;宏碁、華碩將在2035年達成碳中和。


全球產業加入碳中和、零碳排等「綠色轉型」行列,「智慧製造」與「智慧工廠」蔚為風潮,「燈塔工廠」應運而生,台灣政府也將智慧機械列入五加二重點產業,推動智慧製造轉型。


綠色浪潮席捲製造業 燈塔工廠成標竿

「智慧工廠」是第四次工業革命(4IR)製造業轉型的新產物,不少工業先進國家加速推動綠色製造,英國就將淨零轉型視為「綠色工業革命」。技術世界經濟論壇與麥肯錫自2018年起評比全球智慧工廠,將表現最出色的智慧工廠評選為「全球燈塔工廠(Global Lighthouse Network)」,評選標準包含自動化、數位化、大數據分析、工業物聯網、5G等數位科技建置以及運用成熟度,這些數位科技是工廠中廣泛使用的工業4.0領先技術。


截至2021年,已有90家企業入選全球燈塔工廠,如2021年入選全球燈塔工廠的友達台中Fab 3廠、群創高雄8.5+8.6代廠,鴻海集團鄭州廠區及武漢廠區也雙雙入選,是繼深圳、成都廠區後入選的鴻海新廠區。值得一提的是,入選燈塔工廠的企業並非完全以機器取代人工,而是透過數位化技術帶來創新,提高產能與效能,多數工廠不僅產量提升,也成功創造產品價值,找到新的營收來源。


以友達光電來說,自2015年啟動智慧製造2.0後,即針對智慧製造、綠色製造和人才培育進行轉型,並深化4IR技術,如運輸自動化、機器學習與電腦視覺自動檢查及維修產品、IoT架構結合自動清潔、AI應用程式整合系統等。為因應智慧工廠綠色轉型,各廠區的管理模式也隨之調整,結合場域知識與資料科學技術,從過去的反應式管理改變成預測式管理。2018至2020年三年內,燈塔工廠整體產能上升32%、先進製造良率提升60%。



圖2 : 友達台中廠獲選全球燈塔工廠;自行開發水電氣即時監測模組。(Source:友達)
圖2 : 友達台中廠獲選全球燈塔工廠;自行開發水電氣即時監測模組。(Source:友達)

除了4IR技術,友達也透過AIoT企業策略結盟方式,與關企友達數位、友達智匯、友達宇沛等合作,提供專業顧問諮詢服務,內容包含永續生產製造專業知識、軟硬體解決方案、AI系統與場域應用相互結合的一體化解決方案等。


群創光電總經理楊柱祥指出,智慧製造與智慧營運勢必同時並進,才能創造最有韌性的經營體質與核心競爭力,智能管理不僅可以強化精準設計、智?生產及智慧檢測,智能引擎還可以取代人工檢核,改善工作環境與效率。


群創高雄廠區透過自動化、數據化及智能化,實現群創XYZ數位轉型策略,該廠也投資自動化、物聯網和分析技術以提升製程、品質和問題解決能力,產品最終不良率因此降低33%,利基產品比重則增加22%,品質偵查時間減少90%,總體產能增加10%,成功建立完整生態系,同時提升整體競爭力。


鴻海董事長劉揚偉則表示,數位轉型是集團自「勞力密集」轉型為「腦力密集」的重要階段。截至2021年,鴻海集團約有20餘座廠房符合燈塔工廠標準,其中有11座獲選為「燈塔工廠」。在生產線流程優化方面,鴻海武漢廠區利用先進分析技術、柔性自動化技術重新設計製造系統,提高86%勞動生產率、減少38%品質缺陷,訂單交貨周期縮短29%(降至48小時)。


鄭州廠區則提高102%勞動生產率,減少38%品質缺陷,整體設備效率提高27%。面對快速的業務需求但技術熟練工人不足等問題,鴻海採用混合實境、人工智慧和物聯網等技術,提高200%勞動效率,整體設備效率則提高17%。



圖3 : 鴻海集團鄭州廠區獲選燈塔工廠。(Source:鴻海)
圖3 : 鴻海集團鄭州廠區獲選燈塔工廠。(Source:鴻海)

此外,鴻海「燈塔工廠」還積極對外賦能,推動產業數位化及數位產業化發展,如鴻海鄭州廠區建立跨職能轉型辦公室,與德州、清華等10所大學合作研發、招募複合型人才,建立全球技術生態系統。鴻海集團規劃2022年再打造20座「燈塔工廠」,改造模具生產、CNC加工、表面貼裝、系統組裝等場域,同時在廠房內導入自動化、數位化、智慧化等技術,同步提高產品力及管理品質。


支撐燈塔工廠的4IR關鍵技術

麥肯錫合夥人及製造工作(McKinsey & Company and Global Lead of its manufacturing work )全球負責人Enno de Boer表示,「燈塔」實現永續發展,並非完全以機器取代人工,而是透過數位化技術帶來工作變革,提高效能。


4IR技術包含人工智能、機器人及物聯網,這些技術有助加速永續發展,同時強化企業競爭力。燈塔工廠結合5G通訊、物聯網(IoT)、雲端與邊緣運算等資通訊技術,搭配人工智慧(AI)、大數據(Big Data)、預測、數位雙生(Digital Twin)、AR與混合實境(MR)等新興智慧科技,運用在感測、機器人、無人載具、積層製造等先進技術,發展出提升工廠與供應鏈營運績效的數位化、智慧化應用方案,創造價值成效。全球燈塔工廠的主要應用方案包含數位化組裝與機械設備、數位化設備維護、數位化績效管理、數位化品質管理,以及數位化永續發展。


TrendForce指出,2022年全球智慧製造市場規模近3700億美元,2019-2022年年複合成長率達10.7%。智慧製造的核心在於數據與設備虛實整合後的即時反應,關鍵在於延遲性、安全性與運算能力,未來發展將以邊緣運算及5G為主,如AR/VR、機器視覺、數位雙生、預測性維護等技術支持及應用升級。


工研院產科國際所副組長熊治民表示,近年來,發展快速的智慧製造相關技術與應用包含感測、智慧機器人(特別是協作機器人與自主移動機器人AMR)、積層製造(3D列印)、人工智慧(AI)、5G通訊、工業物聯網與雲端平台、數位模擬與分析,以及擴增實境(AR)等。在智慧工廠的技術應用上,2022年已經出現物聯網結合5G、邊緣運算、AI等工具打造的虛實整合系統(Cyber-Physical System;CPS),數位雙生(Digital Twin)技術則被廣泛運用於智慧製造、智慧城市等垂直領域。


隨著環境、場域與設備間的交互影響愈來愈複雜,數位技術也擴大部署及運用範疇,如物聯網技術搭配3D感測技術、VR、AR等遠端作業,打造元宇宙(Metaverse)發展架構。推動淨零碳排已成為製造業全球趨勢,急需借助智慧感知、IoT、AI、數位雙生,以及碳排放計算、能源與資源使用優化、供應鏈運作優化等技術,提供更多解決方案。


多數製造業都會朝自動化、數位化、智慧化運作發展,如基於雲端平台的自動化與數位化工作流程、以機器人節省人力或補充生產能力、以遠距工作模式克服市場營銷與客戶服務限制、透過人工智慧預測原物料價格與供應鏈運作優化等。目前國際製造業者持續透過工業4.0、數位轉型應用建立更大的智慧製造體系。大型企業全面推動設備聯網、智慧化產線與智慧工廠,導入5G、AI、AR、雲端、協作機器人、無人搬運車(AGV)與自主移動機器人(AMR)等技術;中小型企業偏向設備聯網、稼動率可視化、自慧化排程,以及結合AI的自動光學檢測應用。


研究指出,晶片製造佔電子設備碳排放的大宗,產業上游晶圓代工及封裝測試、中游組裝及下游品牌科技大廠紛紛提出碳中和時間表,如台積電、聯電、台達電、鴻海、日月光、宏碁、華碩等。英特爾、台積電、聯電、日月光投控等半導體大廠今年4月宣示,在全球營運範圍內達成淨零排放目標,除了擴大採用再生能源,也會在價值鏈中降低溫室氣體排放量,如英特爾承諾在2040年前,全球營運達淨零排放目標,並在價值鏈中降低逾30%的溫室氣體排放量。


全球第一家RE100半導體企業台積電承諾100%使用再生能源,於2020年成立淨零排放專案,為達成2050年淨零排放目標,擬定減緩措施、強化綠色創新作為,積極採用再生能源,並持續尋找各種排碳減量機會;為達2050年淨零碳排目標,聯電推動「淨零行動」三部曲:針對營運直接排放、能源使用間接排放及價值鏈產生的間接排放,落實低碳能源轉型。



圖4 : 台積電使用再生能源量與比例。(Source:台積電)
圖4 : 台積電使用再生能源量與比例。(Source:台積電)

結語

智慧製造與燈塔工廠的應用需要持續累積才能展現具體成效。目前國際製造業者持續透過推動工業4.0、數位轉型應用建立更深化、範疇更大的智慧製造體系。預期大型製造業者未來將結合內外部資源,建立規模化智慧工廠,以提升產能、品質與接單彈性,帶動台灣智慧製造方案生態系發展,在大型企業帶領下,再將中小型企業納入智慧製造生態系及產業鏈,逐步發揮「燈塔工廠」綠色製造的整合價值。


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