循序漸進導入智慧工廠與自動化應用
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工廠導入自動化科技行之已久，近年卻又興起智慧工廠的概念，究竟智慧工廠與自動化的關聯為何？智慧工廠的應用價值又在哪裡？大同公司主任孫永富特別提出相關見解，供各界參考。
孫永富認為，智慧工廠的階層可以分為三個層次，第一層是以自動化及控制為主的設備層解決方案，導入的應用為CNC數控設備，以及PLC、I/O、觸控板及運動控制產品為主；第二層為人機界面和監控系統，導入的應用包括HMI/SCADA、整合監控廠務設備、收集即時及歷史資料及整合分析效能與節能控制；第三層為生產管理解決方案，導入的應用為MES/EMI，提供生產線工單、投料、備料全自動資訊。
一般而言，三個階層會依序導入，但也有工廠會選擇三個層次一起做。如果從資料結構的角度來看，最底層是用控制器直接控制生產線，做一些即時處理，往上一層到了HMI/SCADA，就可以看到歷史資料分析及整個工廠的狀況，才能發展到下一個階層的工廠效能、品質分析及生產管理，最後完成全廠的資料分析後，才能連結到ERP。
如果從軟體解決方案的角度切入，最上層為即時資訊入口網站，然後依序為工廠性能分析和生產執行、綜合質量管理、資產管理、工廠資料庫、圖形監控設備及最底層的編輯與控制，這些作業平台，工廠可以根據需求來建置。
導入智慧工廠應用可以帶來的好處，是顯而易見的。孫永富以LED燈具生產線為例，每一個LED燈具的工序多達數十個，每一個工序都要做好分配。為了追求生產速度，可能就需要20幾個人來裝配，但導入自動化生產線之後，7秒就可以完成一個LED燈具，而且只需要用到三個人。
但導入自動化之後，生產線的設計也要重新設計，以前述的LED燈具為例，該工廠就將生產線做成ㄇ字型，是因為要考慮工廠現場的空間，以及倉庫的位置，如何進出料、如何維修等，才能設計出符合實際需求的生產線形狀。
接下來就是進入SCADA，也就是Supervisory Control And Data Acquisition，凡是具有系統監控和資料擷取功能的平台，要搭配相對應的軟硬體，才能稱之為SCADA。
孫永富指出，設置SCADA的目的，是希望透過電腦的即時監控設備，提供系統設備作整體的監視、控制、自動定時紀錄、列印及查詢並提供設備的即時運作狀況。工廠可藉此建立長期的設備維護資料，有效的運用維護人力資源，提高設備維護品質及設備運轉效率。SCADA可滿足各式各樣的系統設備，如電力監控系統、空調監控系統、消防監控系統、門禁監控系統、製程監控系統等。
另一個攸關智慧工廠應用的項目是圖控系統。孫永富指出，圖控介面要成功，必須要先理解，人與設備間的介面，其實存在於控制設備與螢幕圖形之間的對應關係，真實世界的設備、感知器或控制器，轉成電腦螢幕的各種物件時，要能做到完全對應，工程師需要一點美學修養，才能呈現接近真實世界的狀況，讓控制人員能夠藉由螢幕圖形就能顯示設備運作狀況及透過螢幕控制設備的運轉。
一套完整的監控系統，需要許多元件的構成，孫永富以製程設備監控系統為例，製程設備上要有感測及制動裝置，並將資料轉換及傳送到控制系統，控制系統至少要具備顯示、記錄、調節及致動等功能，由操作人員根據前台後傳的資料進行處理。因此所有的資料在送到後台時，一定要妥善處理，如有70%的警告可能只是誤報，監控系統要有能力做判斷。
除了前述的系統平台外，硬體架構也需要妥善考量，才能建構出智慧工廠。首先是連線的基本需求，孫永富認為，通信協定應該要儘量選擇市場現有的，儘量減少自行開發，以免設備之間的連線產生問題。
其次是選擇儀控設施，目前的儀控設施介面，非常多樣化，除了有目前盛行的Ethernet外，過去的RS232/422/485仍然還是有在使用。孫永富認為，其實智慧工廠也不一定非Ethernet不用，因為考量建置成本，過去的投資不一定要捨棄，但不同的儀控設施介面，會影響通信線路的配置，包括設備、距離、速度及成本等，工廠在導入解決方案時，要做好取捨規劃。
而在電腦設備的選用方面，包括連線電腦數量與配置、工作環境、電腦規格及週邊裝置，都要做好充分考量。孫永富認為，選用的關鍵完全取決於系統的承受度，該用伺服器就得用伺服器，不要因為節省採購成本，而選擇較為便宜的電腦設備，因為一旦選擇錯誤，導致設備常常故障或當機，維護成本未必划算。
至於監控網路架構的考量方面，要考慮的項目包括工作站的任務分配、網路架構規劃、網路流量控制及網路安全考量。孫永富指出，在架構規劃時，可以依照控制責任區分、人機介面規劃及網路功能配合等方向來考量。
以控制責任為例，可以分為控制器及圖控電腦，前者重視的是即時性、高可靠性，適用低階邏輯性/類比性之控制，後者則是要求強大的數據處理能力，適用高階控制。至於每一個交換器要裝幾個控制器，則是取決於對於速度的要求。
人機介面規劃方面，孫永富認為一定要導入人因工程的觀念，不管是使用習慣或是圖形大小，都能符合使用習慣及現場狀況，如旋鈕的方向、大小及顏色等，要達到直覺、簡易、防誤等要求，其他項目如操作流程、展示方式及安全管制，也都要以符合使用者習慣為主要考量。
至於網路功能方面的配合，孫永富建議應配合已普遍使用的Windows內建網路功能，並採用高效率的TCP/IP層對層通訊方式，讓多部電腦互相監看及控制，以達到資源共享及互相備份的目的。
MES往往是智慧工廠必須要導入的應用。孫永富指出，工廠如果在生產過程中，發生太多問題，如停機、生產損失、返工太多、發貨時間錯誤、無法符合行業規範標準的需求、物料短缺、無法跟蹤原材料的使用及客戶投訴和產品召回時，可能都要認真思考導入MES的必要性。
因為面臨前述問題，管理者必須要做出對應策略，碰到各種問題時，要靠MES才知道原因為何，如何改善，如在接到急單時，由上到下的資訊若能做好整合，就可以在短時間內知道相關備料是否足夠，判斷能否承接訂單。
由於節能減碳的需求日增，智慧節能系統也已成為智慧工廠常見的導入項目。孫永富以大同能源管理系統為例舉出，從收集量測、監視分析、控制管理、卸載到最後的節能，其實需要設法整合各自獨立的系統，如電力及照明監控、空調監控、停車管理等，才能達到節能、減碳進而減費的目的。
