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工業4.0逐漸成型
ICT技術引領變革

【作者: 王明德】   2016年07月21日 星期四

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近年來消費性市場型態大幅變化,不但產品生命週期縮短,產品樣式也從以往少樣多量演變為多樣少量,甚至是多樣多量,消費市場的變動往上衝擊了生產製造產業,面對截然不同的需求型態,未來的製造業、工廠環境勢必得截然不同,方能因應市場變化,也因此,各國政府紛紛制定相關略,像是德國的「工業4.0」、美國的「AMP」、中國的「中國製造2025」等政策,雖然各國核心與目標各不相同,不過其做法,都是透過ICT技術,讓工廠智慧化。


就上述各國政策發展來看,德國的工業4.0無疑是未來製造議題中的指標,工業4.0架構出智慧工廠的完整面貌,不過要談智慧工廠,必須先定義智慧化,何謂智慧化?以人類來作為比較,製造設備的智慧化,就等於是人類的各種感官加大腦的智慧判斷,就像機器視覺,當攝影機裡的影像感測器擷取到影像後,將資料送回後端設備處理,後端設備處理後,進一步彙整判斷,再決定下一步的動作,這就是新世代的工廠智慧化關鍵。


工業物聯網翻轉製造思維

智慧化系統與之不同之處,在於智慧化是藉由開創全新系統,提供全新的價值,來打開另一個全新市場。


圖1 :  未來智慧工廠的必須包括4大部分-感測、運算處理、邏輯推理判斷、反應等。(Source:IWU)
圖1 : 未來智慧工廠的必須包括4大部分-感測、運算處理、邏輯推理判斷、反應等。(Source:IWU)

過去的工廠以自動化技術作為競爭要件,不過如今自動化已不足以成為製造業的競爭力,未來智慧工廠的必須包括4大部分-感測、運算處理、邏輯推理判斷、反應等,這4大部分整合起來,就是工業物聯網架構(Industrial Internet on Thing;IIOT) ,過去的自動化系統以工程師作為主要應用者,IIOT的系統使用者則會從製造現場的工程師,延伸到管理層的CEO等決策人員,因此IIOT的容架構也必須因應導入企業的需求做變化,也因此這4大子系統的規模設計,也沒有一定標準,過去自動化製造系統中,各環節的工作內容固定,每站固定做自己分內的組裝工作,直到最後產品完成,這類流水線生產模式由來已久,主要形成原因在於產品生週期長,且屬少樣多量型態。


不過近年來消費者的胃口瞬息萬變,造成產品生命週期愈來愈短,客製化產品日趨多樣,製造成本也跟著難以控制;此外,更加複雜的其他因素變項,使得廠商必須隨時面對不穩定的訂單、少量多樣的生產、生產良率的控制,以及備料庫存壓力等相關問題,已對傳統自動化生產模式造帶來重大挑戰,而這些問題目前唯一的解答,就是智慧工廠。



圖2 :  機器手臂與人的共工,將會是智慧製造系統的設計重點。(Source: Engineers Journal)
圖2 : 機器手臂與人的共工,將會是智慧製造系統的設計重點。(Source: Engineers Journal)

智慧工廠可以帶來哪些改變呢?智慧工廠可以清楚掌握產銷流程、提高生產過程的可控性、減少生產線上人工的干預、即時正確地蒐集生產線數據,以及合理的生產計畫編排與生產進度等,這些都是業者提升競爭力及生產力所必須掌握的關鍵項目。


除了製造現場的系統掌控,產品設計也是智慧工廠的系統架構重點,現在產品除了上市時間越來越快,產品功能也漸趨多元,這兩個因素不但大量擠壓了研發時間,同時產品內部設計也越見複雜,為使產品能兼具上市時間與多元功能兩項需求,善用可用研發資源,進行協同設計已成企業重要的研發策略,然而協同設計牽涉的部門人員眾多,所彙整的資料也相當龐雜,如何駕馭繁雜的資料量,將設計流程化繁為簡是企業面對研發的必要課題。


從設計到製造的智慧化

製造設備的智慧化,就等於是人類的各種感官加大腦的智慧判斷。


圖3 :  在各類先進模擬設計系統的協助下,汽車的整車設計時間在過去20年間縮減了一半。(Source: Digital Trends)
圖3 : 在各類先進模擬設計系統的協助下,汽車的整車設計時間在過去20年間縮減了一半。(Source: Digital Trends)

以汽車設計為例,在各類先進模擬設計系統的協助下,汽車的整車設計時間在過去20年間縮減了一半,而近幾年汽車電子技術進展快速,車輛越來越多的功能必需透過電子產品實現,就目前來看,中高階車輛的電子模組已超過40個,電子電氣相關零部件成本已佔車體成本35%,因此電子電氣的開發與驗證成為整車開發時的重要環節。


越來越龐雜的電子模組架構,若依照傳統的開發流程,從需求定義、系統設計、樣板成品、測試…等環節逐一進行,將會耗費大量時間,例如在需求定義端無法迅速驗證,或系統設計時,初期受測硬體不完整且整體成本過高,使得設計出現缺陷,而這些問題大都在實體完成時才會浮現,就一般經驗來看,錯誤修正成本與發現時間成正比,在流程前端發現錯誤,所支付的各項成本最低,若到最後環節才發現,則必須逐層回溯,無論是金錢、時間、人力,都會耗費大量成本。


近年來消費者的胃口瞬息萬變,造成產品生命週期愈來愈短,客製化產品日趨多樣。

因此現在汽車製造在設計期,就從需求定義端就逐步創建系統模型,再透過詳細的演算法設計產生自動代碼,讓需求在虛擬模型中得以實現,各部門協同設計時若發現錯誤就可即時修改,大幅降低車輛在實體問世後才出現的錯誤,透過模擬軟體的自動代碼生成,模型可公用於設計與測試,模組化設計也有利於系統調校,同時系統化管理軟體內容,有效簡化設計流程,縮短整車設計時間。


自動化系統必須附加在某個技術上,促使此技術改善品質、提昇效率,因此自動化技術所產生的價值,容易被看見、計算,智慧化系統與之不同之處,在於智慧化是藉由開創全新系統,提供全新的價值,來打開另一個全新市場,不過目前台灣市場仍以前者為主,也就是專注在讓現有的技術與產品如何更好更快,因此研華一直在思考,如何創造出更新的服務,從而產生更高的附加價值。


虛實整合 打造未來工廠

當物聯網成型後,未來會有超過500億個感測器相連。

除了硬體外,軟體也會是未來智慧工廠的重點,其重要性甚至將遠超硬體,台灣產業長年以硬體為重,軟體的布局相對較少,但就目前發展來看,硬體技術已走到成熟期,廠商間彼此的水準相差有限,而系統的加值必須倚靠軟體,因此未來製造系統領域的市場決勝點會是在軟體,無論是硬體或軟體,開放性都會是未來工廠的的必然趨勢,現在的工廠系統已非單一廠商能獨占有設備,因此不同廠商的設備整合成為必須,開放式標準將有效降低整合難度,提昇系統效益。


異系統的整合外,軟硬體的虛實整合也會是智慧工廠未來的重要趨勢,像是美國產業有所謂的Cyber Physical System概念,也就是實際的物品在設計端,就先在軟體系統上以非常嚴謹的模式計算、模擬出來,此一方式可以大量減少執行時容易產生的錯誤成本,工業4.0也有類似概念,在東西還沒製造出來時,就能先瞭解成品與製程樣貌。


由此來看,智慧工廠與ICT技術整合已成趨勢,智慧化系統的4個步驟-感測、運算處理、邏輯推理判斷、反應,目前的研究多與ICT技術有關,例如在感測方面,就將會與近來相當火紅的物聯網結合,未來製造系統中,每個物件都會內建感測器,紀錄設備狀況後,再將訊息回報給使用者,目前已有機械廠商將感測器建入線性滑軌、主軸中,其他這些全球領導廠商也都已有相關作法。


根據研究機構麥肯錫的估計,當物聯網成型後,未來會有超過500億個感測器相連,若預測成真,未來系統即時處理隨之而來的海量資訊,未來感測、運算、邏輯推演三步驟層層串連,將會具體呈現在最終的反應端,進而形成完整的智慧工廠樣貌。


**刊頭:(Source: naviworks)


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