自動化到智慧化 製造系統效益全面提昇
- DIGITIMES企劃
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製造業應用自動化系統由來已久，但在競爭日趨激烈的市場環境中，自動化必須進一步提升為智慧化，方能使企業立於不敗之地，但自動化如何進化為智慧化？智慧化將為企業帶來哪些效益？這不只是導入企業的難題，也是設備供應端必須深思的問題。
2013年4月，在漢諾威工業博覽會中，德國提出了工業4.0(Industry 4.0)的概念，正式宣告智慧製造為核心的新世代工業型態，將成為第4波工業革命，但儘管智慧化已被視為製造系統的未來，但「智慧化」3個字十分模糊，何謂智慧化？智慧化製造系統應該具有什麼功能？不僅使用端的製造業者說不上來，連供應方的設備系統廠商也有不同認知。
雖然業界對智慧工廠還沒有共識，不過供應商的產品共同訴求倒是相當一致，都與現行自動化系統的「降低成本、提升效率」建置目標相同，只不過是自動化系統的再延伸版與放大版。目前的自動化系統包括感測、運算處理、邏輯推理判斷、反應等4個子系統，將這4個子系統進一步強化並將之整合，就是製造業從自動化邁向智慧化之路。
由於生產系統的內容架構必須因應導入企業的需求做變化，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，每站只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，以往產品生週期長，且製造模式為少樣多量型態，這種生產方式足敷所需，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，這也是自動化系統為何有必要轉化為智慧化的主要原因。
製程全面掌握 快速提升競爭力
至於智慧化將為製造業帶來哪些改變？以目前設備供應商提出的產品功能，可以歸納出幾個選項，包括清楚掌握產銷流程、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，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。
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，已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。
因此，現在的汽車製造在設計期，從需求定義端就得逐步創建系統模型，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，各部門在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。
視覺技術讓製造系統更聰明
在生產階段，智慧化製程的重點在於提高產線彈性。一般的作法有兩種，一是在設備中建置感測器，感測器可快速判斷工件的類別，改變生產方式，但只要所需處理的工件種類變多，系統複雜度也必須同步提升，另一是將產線系統設備模組化，一旦產品或製程需要改變，只要將產線拆開重組，即可組裝成適合的生產系統。
這2種方式都會牽涉到系統整合，而在系統整合之前，必須強化系統中各類自動化技術。以機器視覺為例，品管向來是產品品質最後把關的環節，在機器視覺技術未臻成熟之前，過去都以人力為主，以太陽能、LED產業為例，就有超過20%的人力投注在此，不過產品檢測單調且冗長的作業模式，容易使操作者出現疲勞、注意力分散等問題，現在機器視覺技術逐漸精進，足以擔當產品檢測重任，因此可以被導入產線以提高了產能、降低成本。
目前機器視覺化的檢測作法，是將視覺感測器與鏡頭，直接建在系統設備上，當產品傳送至該站時，即可被檢測，這種作法的好處有兩個，一是可以全檢，與一般的抽檢方式，全檢可使產品品質獲得全面性保障，另一個優點則是速度快，可加快檢測速度。
視覺檢測是現代自動化系統相當重要的部分，而此一技術也是現代與傳統自動化的主要差異，20年前機器視覺因技術尚未成熟，與自動化系統整合的難度相當高，就算整合進去，判別速度也有限，不過隨著視覺演算、判斷法則的進步，再加上現在電腦的功能比過去強大許多，視覺檢測未來應會大量應用在各類製程。
從視覺技術的例子可以看到，製造設備從自動化到智慧化的實際演變，至於整體系統的智慧趨勢，業界看法雖然紛紜，不過仍可歸納出一個重點，即是「虛實整合」，虛實整合除了現有軟硬兩端技術相互為用之外，也大量應用了ICT技術，像是前文提到，在實際物品在設計時，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。
因此智慧工廠與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，全球多數領導廠商也都已有相關作法，觀察目前發展態勢，智慧工廠的各種建置都已加速布局中，未來幾年將可逐漸看到成果。
