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RFID建構自動化基礎 為智慧製造做好準備
 

【作者: 王明德】   2019年10月25日 星期五

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工廠自動化系統發展多年以來,都屬於封閉式架構,直到工業4.0概念興起,強調OT與IT技術整合,IT技術被應用進來,才逐漸打破藩籬,開始引進其他相關IT技術,然而由於工廠系統涉及製程,穩定向來是系統設計的第一要件,因此相關的IT技術導入腳步並不如消費性產品快速,但在所有技術中,RFID卻是特例,目前已被大量應用於工廠製程。



圖1 :  RFID是利用其自動辨識的特色,配合軟體功能,來讓系統具有一定程度的智慧化,並藉此提升生產效率,並為製造業帶來一定的助力。(source:Factory Automation)
圖1 : RFID是利用其自動辨識的特色,配合軟體功能,來讓系統具有一定程度的智慧化,並藉此提升生產效率,並為製造業帶來一定的助力。(source:Factory Automation)

在自動化系統的架構中,RFID主要是利用其身分自動辨識的特色,配合軟體功能來讓系統具有一定程度的智慧化,並藉此提升生產效率,以汽車產業為例,根據已導入相關建置的汽車製造業內部調查,其建置後生產效率提升30%,這足以證明RFID的智慧化自動辨識特色將可為製造業帶來一定的助力。


RFID強化產線效一

從台灣汽車製造業者的案例來看,RFID導入製造系統後,不但製造成本降低,生產效率也提升了30%,另外更將應用觸角延伸到汽車保修領域,透過RFID將上下游的價值鏈體系做全面的應用與整合,提升管理精度與客戶使用滿意度。


該車廠在導入RFID系統的第一步,是將RFID應用在油漆槽,用來控制上漆時間,以免厚薄不均,不過由於烤漆作業溫度相當高,為了讓RFID能夠順利運作,其標籤規格必須要特製,再加上當時RFID技術未臻成熟,因此標籤成本相當高昂。


高昂的成本讓車廠略有遲疑,不過之後仍決定將RFID的應用擴及於其他生產層面,首先是庫存管理方面,汽車車體的零組件之多,居於所有製造業之冠,要將這些零組件妥善管理,準確送達作業線上,必須仰賴RFID來進行管理,由於其電波發送會受金屬干擾,因此除非特殊零件,否則一般都不會將RFID標籤直接建在零組件上,而是貼在紙箱上作為識別。


當零組件來到作業線上時,由於並沒有RFID標籤,因此生產線必須在其他地方建置標籤以茲識別,這時產線是將標籤貼在半成品的運送載具上,當該載具來到作業地點,讀取器接受到訊息後,就會通知PLC控制自動化設備,進行車體的組裝,車體組裝完畢之後,會將車輛送往成車管理中心,該中心再依據派車地點進行派送,並經由RFID系統來管控車輛。


該車廠將RFID與生產製程管制結合,大幅降低製造成本,除了汽車製造層面外,也整合了銷售系統,從經銷端客戶的訂單到生產過程均可監控,為接單生產模式奠定基礎。


克服環境考驗 建構穩定系統

RFID在汽車製造產業的應用特性與其他製造業略有不同,首先就是上面提到的零組件數量異常龐大問題,再來則是製造程序的多樣化,範圍之廣足以使其他製造業者得以於其中找到可模仿之應用,因此汽車產業的RFID應用,毫無意外的吸引了多數有意導入相關系統的製造業者之目光。



圖2 : RFID導入製造系統後,不但製造成本降低,生產效率也可大幅提升。(source:Rubber & Plastics News)
圖2 : RFID導入製造系統後,不但製造成本降低,生產效率也可大幅提升。(source:Rubber & Plastics News)

汽車的零組件眾多,其使用材質也包羅萬象,包括鋼鐵、非鐵金屬、玻璃、橡膠、石綿、陶瓷、纖維等,但在汽車車體的零組件中,應用比例最大者要算是金屬,現在RFID廠商已有針對金屬使用的RFID標籤,不過這類型標籤的售價還是偏高。


因此,在金屬干擾未解決之前,標籤的貼放位置就是一大考驗,尤其是車體內同一空間的金屬零件太多,要找出特殊位置來放置標籤往往要經過不斷的測試,這個標籤的貼放位置問題,不僅在汽車製造會出現,其他製造業者也會遇到,該問題會因各廠商的產品而有所不同,一般來說,產品內部材質、結構越複雜者,其RFID標籤貼放位置難度越高,例如洗髮精與數位相機,其難度差異就甚大,而所有的民生消費用品中,又以汽車製造最高。


汽車製造另一個特性則是製造的繁複,一輛汽車從零到完成,製程從車體焊接、塗裝、部分零組件組裝、到最後的整車裝配,所面臨的製造環境多樣,標籤的穩定、強固性也大受考驗,例如在塗裝製程,標籤必須要能承受噴烤漆的高溫、染料的酸鹼侵蝕,通過後才能繼續使用。


除了標籤外,讀取器也是重點之一,汽車生產與其他製造業不同,一般製造業的生產線多為單線生產,每條生產線上的產品均為固定品項,不過在汽車產業則為混線生產,一條生產線要同時製造不同的車種,生產線上每一部半成品前後緊鄰的車種都不一樣,在車種不同標籤貼放位置相異的情況下,讀取器還是能準確、穩定的讀到資料,這也是汽車製造必須特殊考量之處。


就現場應用面來看,RFID應用於自動化系統時,主要的技術困擾來自讀取率,與其他的產品不同,車子處於移動狀態的時間相當長,在汽車製造過程還可準確讀取標籤資料,如果完成上路,在馬路上行駛,讀取器是否還能有效而穩定的感應?這個問題在汽車製造階段並不會產生,不過如果將整個汽車價值鏈延伸到後續的保修端,問題就會被突顯出來。



圖3 : RFID應用於油漆槽,可控制上漆時間,以免厚薄不均。(source:Siemens)
圖3 : RFID應用於油漆槽,可控制上漆時間,以免厚薄不均。(source:Siemens)

至於非技術性的困難則是選擇廠商,過去RFID廠商稀少難覓,這使得在廠商建置系統時,遭遇不少困擾,不過現在產業環境已逐漸成熟,RFID廠商日多,類似困擾已然不再,取而代之的則是如何在眾多廠商中做出正確選擇之考量。


充分整合 彰顯系統效益

至於系統導入後的效益,由於其目標在於提升客戶的滿意度與經銷商在場內有效管理車輛動態,皆屬於無形效益,目前難以衡量投資報酬率。RFID屬於長期投資,整體效益要經過一段時間才會產生,此外使用範圍也會決定效益的浮現速度,如果標籤的使用數量越多,效益產生就會越快;換言之,如果只有小規模導入,建置初期恐難準確預估投資報酬率,而必須要有長期計畫,並整合其他製造管理軟體才會看見整體效益。


要在自動化系統中整合RFID,在系統設計時就還要注意幾個重點,這可從分為軟硬體兩端來看,在軟體端,RFID只是讓訊息產生更為簡便的技術,因此所產生訊息被應用的越多,其邊際效益就越大,現在智慧化開始普及,製造現場都已有多種IT系統如ERP、MES、SCM、PLM等,RFID必須與這些系統充分整合,效益才會浮現,而在這些系統中,MES將會是目前的主要整合架構。


MES是工廠最重要的IT系統,最主要的功能是透過位於生產線各站的讀取器來控制生產排程、紀錄生產時間,讓製造現場資訊透明化,現在的MES多以條碼為讀取技術,不過就如前言,條碼的人工讀取會延滯作業時間,因此採用RFID可以加快作業速度節省時間。


在硬體方面,由於工廠內環境不佳且自動化系統須長時運作,標籤與讀取器的穩定性與強固性必須多所要求,標籤的主要考量來自於封裝材質,現在工廠內的標籤規格多為可重複讀寫使用以降低成本,標籤貼附位置為生產線的載具上,再將讀取器設置於生產線旁進行資料蒐集,當換線生產時,廠管人員將載具上的標籤卸下,重新編寫新資料。


工廠中所有的硬體設備都會被要求以工業等級設計,RFID也不例外,尤其是與生產設備距離極近的標籤與讀取器,必須面臨高低溫差、震動、碰撞等惡劣挑戰,因此在外觀材質挑選必須格外重視,如此一來,才不會因部分因素讓自動化系統停擺。


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