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雲端打造智慧工廠 帶動製造業轉型

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以雲端為關鍵樞紐,緊密串聯大數據、物聯網、機器人、自動化、人工智慧等各項元素,可望加速實現智慧工廠願景。DFKI
以雲端為關鍵樞紐,緊密串聯大數據、物聯網、機器人、自動化、人工智慧等各項元素,可望加速實現智慧工廠願景。DFKI

近一年多來,製造業界最夯話題,無疑是「工業4.0」。儘管此為德國於2012年提出的製造業升級計畫,但深究計畫形成的背景,其餘國家亦感同身受,導致影響力擴及全球,所以各國製造業都亟欲發展智慧工廠、虛實整合系統(CPS),孕育出許多屬於製造業的雲端應用。

知名分析機構IDC,近幾年來不斷倡議「第三平台」概念,也就是說,其認為目前已經脫離以PC與網路為主軸的第二平台時代,正式邁進第三平台新的段階。而引領第三平台的四個主要驅動力量,即包括了大數據(Big Data)、行動化、社群媒體外,以及扮演最吃重角色的雲端運算。
而在以雲端運算為軸心的四大驅動力量交織下,將接續繁衍出物聯網、混合雲、軟體定義一切、超融合平台、數據湖(Data Lakes)…等一系列新興發展趨勢,不僅帶動未來人類生活型態的轉變,亦將驅使產業轉型。
在此前提下,欲探討「雲端應用」這個大題目,似乎就不宜與垂直產業的應用發展議題脫鉤。而一向堪稱台灣經濟重要支柱的製造業,其雲端應用發展方向,無疑更是值得一探究竟的課題。
毫無疑問,放眼現今製造業領域,最炙手可熱的議題,便是工業4.0,雖然這個辭彙源自於德國,然而深究其初衷,無非就是促進製造業的資訊化、數位化,終至達到智慧工廠的願景,同樣是其他許多國家致力追求的目標;因此工業4.0浪潮能夠席捲全世界,並不讓人意外。
藉助雲端力量 營造工業4.0大局
台灣經濟部工業局官員曾多次利用研討會場言,詳加剖析工業4.0浪潮崛起之緣由。主要是因為,全球產業都共同面臨諸多課題,其一是市場快速變化,產品生命週期愈來愈短,少量多樣與客製化生產需求愈來愈高;其二是資源與環境課題,舉凡土地、人力與水電等全球生產要素資源,都相當有限;其三是勞動力不足,此乃肇因於少子化、高齡化等趨勢所致;其四是人均產值成長趨緩,特別是自從2008年金融海嘯以來,成長趨緩的現象更加顯著;最後則是製造版圖重新洗牌,開發中國家搶佔量產市場,工業國家搶佔客製化市場。
為了克服前述各大挑戰,促使世界各國催緊油門,積極推動產業升級轉型,陸續祭出諸多重大計畫,包括美國推出「AMP」,德國推出「工業4.0」,大陸推出「中國製造2025」,日本推出「日本產業重振計畫」,南韓提出「製造業創新3.0策略」,至於台灣,也並未置身事外,由行政院領軍啟動「生產力4.0」產業與技術發展策略。
當然,推動產業升級、邁向智慧工廠,絕非政府登高一呼即可成事,亦需民間企業的呼應,尤其是國際級指標大廠的配合;而截至目前,許多大廠皆已對智慧工廠相關解決方案多所著墨。
其中GE強調設備的智能與聯網功能,在設備中嵌入多種感應裝置,提供完整設備訊息,並藉由網路將設備資訊傳送至控制中心,且透過資料分析之後產生報告,並將分析後之資料或參數設定回傳至設備裝置,持續下一階段工作運轉,目前已運用於飛機引擎、外海鑽油平台等應用場域。
IBM則從大數據挖掘智慧工廠商機。該公司結合大型主機運算單元、企業級儲存部署單元、服務架構組成元件,匯聚成為智慧工廠巨量資料解決方案,訴諸多面向生產製造資料分析、整合式製程偵錯與產出分析,以及進階製程改善分析,藉此協助製造企業縮短製程除錯時程,且順勢實現「無時耗」(意即7x2)工廠生產營運,發揮快速回應產能提升需求、擴大營收之關鍵效益。
日本Fanuc打造機器人智慧工廠,結合物聯網架構與機器人系統,建構無人工廠,同時透過網路系統聯結,達到全球接單、日本生產的營運模式,為創造高生產力、高獲利之典範案例;值得一提的,該公司亦善用大數據系統,大量收集分析生產過程當中的各種數據,並搭配自動化品檢系統,分析各項最佳生產參數,有效控制生產品質及成本管理。
看到這裡,大家理應能夠清楚明白,不管是工業4.0、生產力4.0或者智慧工廠,都將是引領製造業升級轉型的重要議題;然而令人好奇的,包括工業4.0等題材,與雲端應用之間究竟有何等關聯性?事實上,關係可大了!
善用雲端智慧 助製造商拓展加值服務
簡言之,工業4.0的精髓,便是將雲端、大數據、物聯網、機器人、自動化、人工智慧…等元素通通加以串聯,藉由相互感測、溝通、決策、協作,使工業製造的優勢得以加值並延續;至於如何促使上述一干元素緊密串聯?關鍵就在於雲端。
更深入來看,只要對工業4.0內容有所研究的人,想必對於一些關鍵因素與特徵,都不會感到陌生,而這當中的每個項目,其實都不難見到雲端穿梭其間的身影。特別值得留意是虛實整合系統(Cyber-Physical System;CPS),堪稱是工業4.0的核心技術,主要是藉由電腦、感測器,並透過新一代網路技術串聯各項設備、機器或數位系統,繼而經由它們之間的溝通協作,終至無縫整合虛擬及實體世界。
展望下一步,CPS將藉助雲端、行動裝置與大數據發揮協同合作力量,進一步串聯IT系統,使IT走出資料中心、跨進工廠,延展成為格局更大的CPPS(Cyber-Physical Production System),據以形成即時控制的樞紐,可按產品特性與製程設備的感測元件進行互動,並能夠隨著製程變化,彈性變更機器作業程式,迅速調整生產製程,確使製程設備在幾近零停機的前提下,便能接續執行下一個生產任務。
至於現今有沒有攸關工業4.0或生產力4.0的具體應用實例?其實是有的。例如工具機業者,一方面藉由IPC訊號收集器,彙集來自實體機器、資料擷取(DAQ)的訊號資料,二方面從ERP、MES或QC等其他製造系統獲取機械資料,進而將這些數據通通上傳至資料庫予以收納,在資料庫之中,建立詳實的原始訊號?特徵等相關資訊
該工具機業者,並不以做到這一步為滿足,其接著將資料庫裡頭的數據,向上傳送到一個奠基於IMS雲端架構的虛實整合系統,也就是CPS,在這個CPS之中,不僅有雲端伺服器提供運算資源,也有蘊含了訊號處理、健康評估、故障診斷、壽命預測等機能的「IMS Watchdog」,另有健康機械知識庫,因此有能力經由關聯分析,讓底層上傳資訊當中的隱藏特徵,就此浮出水面。
接著CPS將分析結果回饋至資料庫,使資料庫能根據代號A、B、C…等各台網路機械的健康模式與關鍵組件等資訊,進一步預測健康狀態結果,再回饋至前端管理儀表板,化為可視化報表;如此一來,不管是負責遠距監視生產狀態、或在廠內監控整廠機台的管理者,都得以有效探知各個機台的狀態資訊,進而結合建構於雲端平台的技術支援服務系統,繁衍諸如工具機廠技術支援服務等等加值應用空間。
在此情況下,工具機廠可從過去銷售「機台」,轉變為銷售「產能」,一方面提供技術支援服務,包括接受異警機台回報?報修、異警機台資訊取得、機台設定資料自動比對、遠端參數設定?異警排除,以及接受報修?派工?結案記錄,二方面還能為客戶量身訂製專屬雲端服務,提供整廠機台資訊監測、NC加工程式管理、生產稼動率管理,乃至於機台異警訊息管理等各類型加值服務,幫助客戶實現生產不間斷、加工技術最佳化、生產效率最大化等製程優化目標,連帶凸顯自身不易被取代的價值,擴大收益基礎。