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發展工業4.0 軟/硬體整合發展才能竟其功

  • 魏淑芳
智慧工廠可透過物聯網整合,讓第一線工作者掌握生產現況。(Sentrolcloud)

DIGITIMES企劃

工業4.0可以說是整合優化生產效能的一個集合概念,在國外,智慧工廠、無人工廠等實際生產環境相繼投入,驗證工業4.0擘劃的生產概念是確定可行方案,由於新一代的生產機導入聯網功能與智能化設計,與工業電腦於運算效能、人工智慧方面升級/優化技術逐步到位,漸漸使得發展智慧工廠改造升級的效益逐步浮現。

加速智慧工廠推進進程的另一關鍵便是生產人力成本持續高漲,例如台灣人力資源環境面對勞動新制的一例一休,大陸雖早期仍有人口紅利優勢,但實際上在區域經濟能力與週邊生活水平提高下,也衝擊一般生產人力的人均成本上揚,過往仰賴生產單位轉入大陸地區或東南亞地區設廠以降低生產勞動力成本的策略,已漸漸也行不通,更凸顯導入智能工廠與智慧生產的急迫性。

網通模組單位成本壓縮  萬物聯網時代來臨

在物聯網基礎上,萬物聯網的時代已逐步自概念走向實踐,因為聯網的網通模組單位成本在半導體技術優化下成本大幅壓低,這也讓生產機具導入更多監控、感測模組的智能化應用基礎耗費成本持續壓縮,這代表著導入智能設備的門檻正逐步壓低,這也是推動工業4.0的關鍵因素。

但在實現工業4.0規劃遠景,光靠設備轉向智能升級是不夠的,智能化不只是提升單位生產效率這麼單純,而是需要搭配更多軟體或系統的整合,以軟/硬結合的概念改變目前常規的生產型態,因應未來可能高變動生產內容、小批量多樣高效率生產的新模式。

軟/硬體深度整合是實踐智慧工廠的基礎

軟硬體深度整合,是推展工業4.0智能化生產的關鍵因素,因為工業應用場域的數位資訊已不再僅有資料流程,而是硬體產生的各項感測數據、製造數據即時分析與智慧互動處理的結果,早已從自動化生產的概念自本質上大幅顛覆傳統生產模式,而非人力生產轉往自動加工這麼單純。

在工業製造商方面,多數廠家也認同生產機具的智能整合,搭配軟硬體深度結合,已是製造商能否在這波技術革命浪潮中脫穎而出的重點,也是生產製造商的未來十年的核心競爭力重心。

分散式部署生產線機具  搭配物聯網整合

未來物聯網世代中,除了是人與人的互動、人與機械的互動外,機械與機械的互動、再結合人與機器設備的交互,直接打破傳統設備集中式管理的運作生產型態,設備的部署會再更靈活、更分散化,但分散部署的同時也因為物聯網的深度資訊整合,進階達到增強設備控制在數據精度、即時性與設備調用的高度彈性,實踐工業4.0高度靈活設備部署與應付個性化、小批量生產的設計目的,讓原本採大批量生產壓低成本的傳統生產方式,使生產產線轉為提供服務型的生產模式,因應新一波生產活動趨勢變革。

據Gartner研究預測,直至2020年全球連結無線網路的設備或終端,將達到210億個之多,互聯設備或產品可能產製的各式數據,也是推動維來工業革命的重要契機。

即時採集生產數據 透過分析/決策提升效能與毛利

而現有在物聯網與工業4.0趨勢的相關討論中,參與製造的人也會因為大量自動化、數據化整合,使得參與生產的人力再進一步精簡,生產人力的優化也是智能生產的討論重點之一,但實際上換個角度檢視,在物聯網與大數據整合下的智能生產,可以讓第一線產線工作人員更能深度掌握生產數據、融入生產設備的互聯平台,而第一線生產人員可運用如平板電腦、智慧手機遠端操控設備與檢視設備加工工序,即時參與整個生產產線、甚至是工廠的運作與狀態監測。

除生產人力的再精簡、優化,物聯網在工業生產上還能大幅提升生產效能,尤其是針對少量、多樣化高複雜度的加工工序生產物件,也能透過生產程序自物料進料端至成品產出全程無縫監控,在生產製程的安全性、可靠性都能大幅提升,甚至達到每個生產物件均可確實掌握整個進料、加工、多次處理的所有狀態數據,也能為工廠管理人員帶來更新穎的工作環境,從大量手工、勞動,改以大量數據、自動化處理,生產人員僅需關注數據與生產問題處理,更專注於生產優質產品的思路。

工業4.0衝擊最大的是製造業,在此同時也推進生產自動化設備廠商持續升級,從傳統自動化常規的各式致動器、驅動器、控制設備外,在這些核心組件擴增感設單元、整合物聯網網路、形成智慧化生產單元,讓傳統的自動化機具整合更推展至智慧設備、具機器學習的加工機具設計概念,自動化廠商除在產品設計的思路需大幅改變跟上物聯網潮流外,產品設計理念也面臨全新智能化、AI整合的新衝擊。

因應工業4.0  工業電腦性能、聯網能力提升

而生產設備擴增大量感測單元、聯網功能外,也必須能在生產現場或加工物擴增更多監測與自動處理能力,例如針對加工物進行加工過程監控、加工物出現瑕疵即時回饋分析與提示工廠加工人員關注,再透過物料源頭分析可能成因即時排除可能問題,達到節省廢料產生、優化生產成本。

而能達到上述工序優化的方向扮演整個產線大腦的工業電腦,在工業4.0環境下的角色也會日益加重,效能、體積、整合便利性等,都成為新一代工控電腦的基本要求。

可以預見的是,在工業4.0與物聯網趨勢下,工業電腦的關鍵角色將自產線自動化轉向驅動產線智能化的重要樞紐,未來在生產線上的各種加工設備,勢必會追加大量的感測器、智能監控設備等,在生產過程即時監控各種來源與加工機具產生的大量數據,透過資料端點採集回來的原始數據送至工業電腦進行分析、優化,進而透過人工智能與判斷邏輯產生判斷條件,由設備自主處理各種生產問題。

工業電腦從自主分析數據、判斷數據,產生回應連結生產機具,到控制產線進行自動優化生產處理等,工控電腦的性能與穩定性要求早已超越舊產品的要求層次甚多。

可以了解的是,因應物聯網與工業4.0,工控電腦基本上在性能都需要有能夠處理採集回設備的數據初級分析、彙整能力,基本上在I/O擴展能力要求就相當重要,另在系統串接、擴充與設備可堆疊、擴展支援各種產線支援,就成為相當關鍵的功能指標。

網通技術也是發展智慧工廠的技術關鍵點,工業4.0的重心即在生產環境的設備間網通系統整合,目前可用的M2M通訊整合方案相當多元,解決方案廠商也無不摩拳擦掌積極投入市場,現有可用中/長距離通訊技術包含4G、LTE、3G/2G、Wi-Fi通訊方案等,在短距通訊傳輸方面則有Zigbee、Bluetooth Smart Sigfox、通訊模組等,若機具設備有定位需求,另有GNSS、GPS模組可選用。

對生產機具而言,因應每個生產端點的聯網需求,M2M方案可以說是整合重點,透過SIM卡搭配網通模組整合,建構設備間網路的數據傳輸方案其實對部署設備來說是相當便捷的選擇,尤其對大型製造商在全球化經營下、廠房可能部署於多個國家環境,使用4G、LTE、3G/2G通訊方案對跨國性生產商是相對便利的選項。