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第三波工业革命-智能工厂
 

【作者: 王明德】2014年08月25日 星期一

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智能工厂这几年成为制造产业的当红议题,究其原因可分为内外两面因素,内部因素主要来自于人力成本问题,至于外部因素,主要是因应现在产品的种类渐趋多样,传统的自动化技术的产线变化弹性不足,无法负荷新型态的生产模式,在内外因素的影响下,智能工厂逐渐受到业界重视。


图一
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在人力成本方面,大陆市场崛起后,当地廉价的劳工使中国成为所谓的「世界工厂」,不过近期大陆劳工意识快速高涨,其人工费用已不像过去低廉,欧美方面则各有不同,美国主要是因应欧巴马政府的制造业回流政策,大型企业开始将散居海外的制造据点迁回美国,而为因应美国的高昂人力成本,必须大量导入智能化系统,至于德国则是因为人口老化速度加快,为能在日后保持现有的经济优势,必须提早布局智能工厂,这也是德国政府自2012年开始力推「工业4.0」的主因。


中、美、德三国 全力布局智能工厂


目前推动「智能工厂」概念计划的国家,主要也是上述的中、美、德三大国,这三大国家不约而同都于2012年开始推动计划,中国是在2012年颁布的十二五计划中,列入将2015年至2020年的发展目标,预计2015年中国智能制造装备产业销售收入将达1兆元人民币,年平均成长率超过25%,2020年中国将建立完善的智能制造装备产业体系,产业销售收入超过3兆元人民币,美国则是推动「先进制造技术」(AMP),美国的国家科技委员会已于2012年2月公布先进制造国家策略计划,以加速中小厂商投资、强化劳动力技能、建立公私伙伴合作关系、协调联邦投资达优化,以及提高美国先进制造R&D 投资等5 大目标及其行动方案为战略思维,2013年3月,美国总统欧巴马再宣布将设立国家制造创新网络(National Network of Manufacturing Innovation, NNMI),预计将在10年内于全美成立15 个制造创新研究院,作为区域创新与人才培育中心,以缩短基础研究与业界技术开发间之差距。


至于德国则是在2012年的汉诺威工业博览会所提出,西门子工业驱动科技事业部副总经理郑智峰指出,工业4.0的主要内涵是提升现有的自动化技术,使其可以因应现在客户的多样化产品需求,同时能兼具产线效率,这就是所谓的「随选生产」(Production on Demand),在随选生产概念下,产线可以实时制定生产计划,此一概念看似简单,但牵涉的技术相当广,从管理平台到制程设备的软硬件,都需有大幅度改变,工业4.0延伸出智能工厂概念,所谓的智能工厂与现有的生产方式有别,是以全新生产流程运作,除垂直与工厂及厂商管理流程形成网络外,也以水平透过网络与外部供应链结合,从订单到交货,整个价值创造网络都可实时掌控,此外,郑智峰表示,「智能工厂」也同时整合产销存系统,避免不必要浪费且降低存货及缩短客制化产品交货时间效益等。


不管是「先进制造技术」或「工业4.0」,智能工厂的概念都是根基于自动化技术,由自动化技术往上延伸,而且其延伸应用已不仅止于制造系统,厂房的厂物管理系统也成为智能工厂的重要应用之一。


智能化与自动化的差异


在此先来谈制造的智能化,诚如前述,智能化根基于自动化技术,截至目前为止,自动化技术仍是各制造现场的支柱,其系统设计也与传统的消费习惯习习相关,以往的消费性产品样式不多,但是需求量大,其少样多量的特色,让自动化系统与丰田式管理结合,在系统导入初期就将流程设定优化,让产线排除一切可能变动,以固定的速度产出产品,后来消费性产品市场出现变化,现在的产品无论大量或少量,都讲究多样化,前者代表性产品为智能型手机,其市场需求是多量多样,后者则是有客制化需求的产品,像是台湾的工具机或产业机械,这类产品针对导入者的不同需求客制化产品,「量」虽不大,不过「样」绝对要多。


市场需求模式的改变,刺激自动化技术的升级,「智动化」成为设备业者必走之路,何谓「智动」?望文生义就是「具有智能的动作」,但怎样才叫「有智能」?目前市场还没有共识,不过各自的说法和解释仍有交集,「智能化」既是拟人的概念,市场对它的期望就是要有别与以往的自动化只能一再进行重复动作,「智能化」必须具有一定的判别能力,能主动针对不同产品与状况而做出不同动作,如此才能因应市场产品多样化需求的同时,又能兼顾产线效率。


要达到「智动化」愿景,必须在设备的软硬两端都有所改变,软件端就是管控平台的进化,以往的管控平台多只是透过各机台的通讯链接,掌握生产线各节点的状态,智能化管控平台除需具备此一原有功能外,还要能主动预估各节点的可能会遇到的状况,例如当某设备的运作达到一定时间时,故障率就大增,在此一时间点前,系统就会主动告知管理者,提前维修该设备,硬件部份则是让各端点设备有一定的判断能力,以前的自动化设备不是各端点的效能简单,交由后端系统统一管理,就是端点的能力强大,但设备间并没有相互链接,彼此各行其是,智动化设备讲究互通与效能兼具,各端点设备可以自行判断运作,同时彼此又相互串连整合,如此一来整体系统的效能将大幅提升。


厂务系统 绿色思维


至于厂务系统,主要是藉由感测与自动化两类控制技术的整合,落实绿色思维,系统不但可以精准监测厂房的能源状况,减少成本消耗,更增加生产效率。


厂务系统的运作方式可说是现在物联网概念的先驱,其作法是在能源输出入点设置传感器,负责监测各点的能源状况,各端点的传感器再将讯号传回后端系统储存,以利管理、控制,并累积为历史数据,攻其分析制定出能源使用策略。


厂务系统过去多为规模较大的厂房如炼钢厂、晶圆厂所使用,主要原因于这类厂商的能源使用量大,对企业的影响甚巨,必须全面掌握,以使其能源使用优化,现在的厂务系统主要管控的对象有三,包括电、水、空气,电力管控方面,电能是制造业的最大能源支出,一般的作法就是随需求任意启动,厂务管理系统则可透过各点的监测数据,配合电力公司的用电费率,制定出最佳的用电策略,至于水与空气的监控,多数是用来监测此两项物质的排放量排放去处,现在的环保意识高涨,各国政府对制造业都订有相当严格的管制法规,一旦有违反情事,常会被处以及高额的罚金,以2013年年底高雄日月光K7厂排放废水事件为例,厂房在废水排放时,水量与排水去处都必须全程纪录,当政府人员前来稽查时,厂方必须提出过去所累积的历史数据以为左证,当然纪录有可能为有心人士所更动,因此这类的厂房系统都必须设有一定权限,以使纪录达到完全的客观与公正,对制造业而言,厂务系统的最大效益,除了减少能源费用的支出,还可进一步保护企业本身,使之受到最少的伤害。


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