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工業4.0熱潮延燒 驅使製造業搶建智慧工廠
2016/05/09-DIGITIMES企劃  


近年來翻閱各大報章媒體,不時可見「工業4.0」辭彙穿梭其中,甚至有人將工業4.0視為掀起新一波淘汰賽的觸媒,點出諸如德國等歐美先進國家,已經憑藉智慧製造,開始建立向台灣搶單的實力,由此凸顯台灣製造業儘速從自動化邁向智動化的迫切性。

眾所周知,「工業4.0」是德國於2012年所提出的發展計畫名詞,旨在整合資通訊軟硬體,建置虛實整合系統(Cyber-Physical Systems;CPS),繼而以此為核心,輔以智慧工廠為精髓,促使製造產業邁向高值化;儘管看似僅為一國創造出來的辭彙,然而影響範圍卻遍及全球,連帶掀起第四次工業革命。

隨著工廠智慧化,製造業者即可自主調整產能配置、上下游供應配送,且自主優化生產環境的資源或能源配置,並可即時逆向追蹤生產進度與履歷。Bosch
深究工業4.0內涵,主要涵蓋三大關鍵要素,一是「以CPS為核心技術」,CPS透過人與機器的交相連結,以及與物理世界互動,運用網路以遠端、可靠、即時、安全、協作的方式,去操控物理實體;二是「以智慧工廠為主要精髓」,即時控制整個價值創造網路,從訂單到交貨的連結,實現產品及其生產系統生命週期工程的整合;三是「以『人』為關注焦點」,從業人員被定義為升級的操作者,可藉由技術支援提升自身能力,乃至由單純的生產「操作者」,晉升為「管理者」與「控制者」。

以CPPS打造智慧工廠  可謂工業4.0精髓

總括而論,工業4.0的核心概念是,在生產製造過程中,整合計算、通訊與控制的CPS,連結物聯網,建構「智慧工廠」,形成智慧製造與服務的全新商機與商業模式。扮演核心技術的CPS,負責整合計算、通訊與控制;應用在生產製造過程的CPS則是CPPS(Cyber-Physical Production Systems),箇中含括虛擬設計分析、感測、控制、製程/設備、資訊交換與生管系統,而CPPS所創造出來的智慧工廠,即可稱之為工業4.0的精髓。

透過工業4.0理念的落實,一方面可望解決工業生產時,舉凡超接訂單、庫存過多或過少、以及「不定時」生產等需求,二方面則促使未來工業產品「知道自己製成」的時間,或知道應當採用哪些參數,才能讓自己達到完美狀態。

回顧以往,論及生產製造,其實彷若M型兩端,一邊走的是全人力製造路線,可輕易解決產品生命週期短絀之頻繁換線問題,惟製造的可靠度與效能備受限制、難以提升;另一邊則採取全自動化模式,儘管能夠有效提高生產製造的可靠度及效能,然而技術開發與建置成本不菲,套用於以往大量生產(Mass production)情境倒還合情合理,一旦進入當今訴諸少量多樣的主流製造趨勢,便難以為繼。

反觀工業4.0,則奠基於數位化、虛擬化、網路化之智慧生產系統,著重人機協同,故而能夠巧妙地在前述M型兩端取其中道,形成智慧自動化(簡稱「智動化」)新局面。影響所及,全球眾多國家紛紛掀起「泛工業4.0」熱潮,除了德國提出工業4.0計畫外,美國也在2013年推動「先進製造夥伴計畫(AMP)」,旨在進行先進研發,藉此重新取得國際製造競爭力領先地位;大陸在2015年推出「中國製造2025(Made in China 2025)」乃是其實施製造強國戰略下第一個十年行動綱領,內含國家製造業創新中心建設、智慧製造、工業強基、綠色製造、高階裝備創新等重要領域的重點工程實施方案。

泛工業4.0浪潮  揭開四次工業革命序曲

時至今日,可以確定已經發生的三股重大趨勢,其一是美國開始思考智慧製造,希冀結合資訊、技術與人工智慧等元素,對製造或商業流程中每一環節(例如研發、應用),產生革命性影響,進而完全改變產品在研發、製造、物流、銷售等不同價值活動的流程,同時增加工廠的彈性、減少能源的使用、改善永續環境、降低產品成本,並運用次世代材料滿足新產品開發之需求。其二是大陸不再是世界工廠,由於陸續調升最低工資、再加上社福保險費用提列,使兩岸製造成本逐漸拉近。

其三則是全世界都在談論智慧工廠,不管是歐美、日本或亞洲四小龍,都面臨製造業佔GDP比重走低、附加價值持續滑落、失業率居高不下...等等諸多壓力,為了扭轉這些負面效應,美國AMP、德國工業4.0、日本再興戰略等「再工業化」計畫現繼現身,而台灣、南韓、新加坡與香港也積極推動產業結構轉型。

上述三股趨勢的成形,無異是宣告第四次工業革命時代的來臨。第一次工業革命發生於1800年代,係由蒸氣機所帶動;第二次工業革命發生於1900年代,由電力、內燃機、新材料/物質所創造;第三次工業革命發生於2000年代,揭開了所謂「自動化」的序幕,由電子、數位控制、資訊系統所驅動;如今的第四次工業革命,則以智動化、智慧工廠為軸心,由CPS、大數據、物聯網、3D技術...等眾多創新元素所組成。

一座真正進入「智慧化」的工廠,主要是善用ICT硬體、軟體與系統整合技術,使其生產行為具有感測聯網(IoT)、資料蒐集分析(Big Data)、人工智慧(AI)、虛實系統整合、人機協同作業等特色,進而可以實現諸多營運創新目標,包括了自主調整廠區與產線的產能配置,自主調整上下游供應配送,自主優化生產環境的資源與能源配置,輔助人員正確完成各種操作及組裝,以及即時逆向追蹤生產進度與履歷。

五大關聯要素  助力實現智慧工廠

在蛻變成為智慧工廠的過程,製造企業所需仰賴的關鍵要素,則包括了五大項目。首先是「虛擬工廠設計與自動化系統整合」,建置實體生產線與工廠前,先在虛擬系統進行生產線與工廠設計,並直接在虛擬系統進行自動化系統整合規劃,以期大幅減少實體建設與系統整合所需資金、時間、材料等重大成本,使產品得以快速進入市場,具代表性的解決方案供應商有國外的Siemens、PTC、Dassault Systemes,及台灣的拓志、羽冠、神通、耀欣、新能、鼎機等等。

其次是「巨量資料與雲端運算」,運用雲端運算能力分析由每台機器設備與裝置傳來的巨量資料,篩選與過濾設備可能故障原因、產品瑕疵發生原因,以提高設備使用率與產品品質,另可藉由巨量資料分析市場終端消費需求,作為次世代產品功能設計的參考;相關供應商包括國外的微軟、IBM等等,台灣尚未具指標性供應商。

第三是「物聯網」,旨在善用感測、有線、無線或行動等通訊網路,使來自設備、裝置或控制中心的各種資料與參數,可在彼此之間傳輸,且具有避免電氣干擾、資料竄改、線路備援等安全機制,確保每一筆資料的安全性與穩定度;相關供應商有國外的Beckhoff,以及台灣的四零四科技(MOXA)等等。

再者是「機器人/機器手臂」,以機器人與機器手臂取代人力,執行高重複性、高負重度、高疲勞性、高傷害性、高危險度等作業,藉以提高製造時數與產線產能效率;相關供應商則有國外的ABB、FANUC、KUKA、EPSON,及台灣的上銀、洋威數控、研華寶元等等。

第五項為「智慧設備與系統」,藉由智能判斷與決策,並主動與其他設備交換資訊,無需人力介入便可依據實際狀況進行運轉調配,終至提升材料、能源、人力等資源的使用效率;相關供應商有國外的GE、OMRON、Panasonic,及台灣的研華、泓格、凌華、盟立、台達電、亞德客等等。

綜上所述,針對智慧工廠所需方案,台灣在於硬體方面的供應鏈價值體系尚稱完整,惟論及自動化創新應用,則明顯有所不足,亟待迎頭趕上。

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關鍵字 
自動化系統工業4.0智慧工廠智慧製造
虛實整合系統
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