重工業首重效能與安全 智慧製造系統讓兩者兼具

2018/10/30 - DIGITIMES企劃

重工業是國家發展的重要支柱，不但產值龐大、創造的就業人口多，其產品如鋼鐵、石化...等，更是國家建設的重要物資，也由於產值龐大、從業者多，為提升效率、減少工傷，重工業不但導入自動化系統意願較一般製造業更高，且時程也更早，甚至在工業4.0、智慧製造等名詞出現前，其生產系統就已有一定程度的智慧化建置，近期智慧化技術逐漸成熟，重工業的智慧化應用有了進一步的廣化與深化。

觀察重工業的特性，包括其製造為連續性生產、使用重型機具、廠房地區廣闊、工安風險高、設備運作環境惡劣等，因此製造系統所需要的智慧化功能也與多數製造業有別。

預診保養確保設備不停機

先談製造類型，企業的製造類型可分為連續性與間斷性兩種生產方式，連續性生產是在製程中將原物料不斷加工，最終成為所需要的型態，像是煉鋼、煉油、造紙等；間斷性生產則是組裝已成型的零配件，如PCB插件或是飲料填充就屬於此類。

絕大多數的重工業屬於連續性生產，這種生產模式對製造系統的穩定性要求非常高，因為一旦出現非預期性停機，正在產線上的原物料就有可能無法回復原狀而必須報廢，進而產生損失，尤其是煉鋼、煉油，其產量極大，且原物料成本昂貴，再加上生產程序複雜，若是關鍵設備故障，有可能全線的半成品會成為廢品，也因此鋼鐵與石化業在早期就導入設備監診系統，透過設備訊號的擷取、記錄與分析，掌握設備狀態，在故障前就先預診保養，讓設備可以穩定運作，確保高稼動率。

以煉鋼廠為例，煉鋼製程從原料輸送、煉焦、燒結、高爐、轉爐、鋼板、熱軋、冷軋、線材、條鋼、小鋼胚，每一段製程的設備數量不但多，且生產條件變化大，若設備故障停機，不但會帶來損失，也可能出現工安事件，因此設備狀態的即時掌握成為必需。

不過要在煉鋼設備中導入即時監控與設備預診功能，必須克服製程檢測週期與範圍兩大問題，由於檢測的人力與時間有限、煉鋼廠廠房廣闊、設備繁多，如何在一定時間內完成感測網路架構，挑戰相當大；另外系統導入後，必須建立起現場工作人員的預知保養觀念，讓系統的建置效益可被延續，也是重要問題。

智慧化讓能耗與廢棄物管理更有效率

除了製程外，廠務系統也是重工業的智慧化重點，現在系統廠商所開發的廠務系統，主要功能包括節能、安全與廢棄物處理。

在節能方面，由於重工業的設備耗能極大，再加上電費節節高漲，因此必須透過能源管理提升效益。而能源管理的做法與產線設備的導入目標一樣，都是減少成本、提升效能。

在減少成本方面，由於重工業者都是用電大戶，均與電力廠商簽訂用電契約，然而在簽訂用電契約前，可先透過設備上的感測器，先得知廠房每天正常運作時的電能消耗量，並找出最大耗電量的設備，而這也必須透過生產設備的感測網路建立才能得到相關數據，進而規劃、制定出用電行為與策略。

重工業的電能消耗遠比一般製造業高，因此無論是製程或廠房其用電管理都必須有更進一步的審慎計畫，對業者而言，此一計畫會是一套由上往下的整體管理，先透過底層的數據擷取與掌握後，再擬定減少的能耗與用電效率數字，從技術、用電方式、人員認知等方向著手，才能按照步驟穩定地落實目標。

能源除了使用時需要智慧化，使用後的廢棄物處理也需要有規劃，尤其近年來環保意識抬頭，法規日益嚴峻，無論是從整體環境或企業成本考量，最低汙染的妥善處理都是最佳選擇。對重工業者來說，由於原物料成本高，都會盡量物盡其用，透過種種製程將原物料不斷轉換為不同產品，讓所產生的價值最大化，因此到最後的廢棄物，都是難以回收再利用，多數甚至有高度污染，像之前就傳出台中神岡、高雄旗山的河川與溝渠受到鋼鐵廠的爐渣汙染。

針對廢棄物處理，環保署早有制定「事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準」，要求企業必須將廢棄物以主要成分特性分類貯存，同時貯存地點、容器、設施必須保持清潔完整，不得有廢棄物飛揚、逸散、滲出、污染地面或散發惡臭等情事，對此現在市場上已有專業倉儲與搬運系統，透過高度智慧化的設計，妥善儲存廢棄料。

為避免汙染，廢棄物在運送與倉儲過程中，都必須全程掌握所有資訊，且由於這些廢棄物的高重量與龐大數量，當作業人員以叉重車將廢棄料桶從車上卸下後，就由全自動化設備接手，先透過輸送帶將廢棄料桶送至指定貨架下方，再以自動化移動設備將料統置入貨架中，且可透過貨架上的感測技術偵測存放狀態，確保安全。

警報與巡檢管理，讓廠房更安全

安全也是重工業的必要設計，又可分為製程與廠房兩類。製程分為設備與人兩大重點，製程設備主要是偵測機台狀態，有異常時就發出警報提醒作業人員，重工業由於設備多，加上各設備的警報訊息意義不同，若未加管理，就會發生製造現場不斷傳出警報聲響的狀況，初期會讓管理者疲於奔命，後期就會失去警覺，讓真正緊急的警報淹沒在眾多聲響中。由於重工業屬於連續製程，一旦中斷會造成重大損失，因此警報的設定與管理必須非常精準；而要讓警報精準化，必須先統一設定警報的訊息定義，並讓各層級狀態有不同警示，如此才能讓產線兼具效能與安全。

在人身安全方面，由於重工業的製程都有高危險性，因此人員在操作機台時都有SOP(標準作業程序)，而絕大多數的工安事件都是未按規定所導致，不過在製造現場，要強制落實SOP並不容易，部分員工會為了效率或種種因素便宜行事，讓風險大增。近年來AI與影像技術結合，可透過AI分析影像意義，目前已有廠商將之應用於製造業，在監控攝影機中導入AI功能，在後端先行建置工廠SOP的標準動作，當攝影機照攝的員工做出非標準動作時，馬上透過攝影機附設的喇叭發出聲響提醒，另外也可偵測特定區域的人員進出狀況、有無遺留物品，提升廠區安全。

另一個安全設計是廠區巡檢。安全巡檢是重工業的必要動作，不過由於廠區範圍大，且其多採用紙本勾選項目做法，容易敷衍造假，讓巡檢管理難以周全。對此可以兩種方式解決，若仍需以人力巡檢，可使用移動式設備(如平板電腦)與Beacon搭配，當人員到Beacon設定點後，平板電腦才能與之連結作業，確保巡檢動作的落實；或者現在也有廠商開發出巡檢機器人，由機器人巡視廠區，同時在上面配置攝影機記錄畫面，一有異常馬上通知管理人員處理。

重工業由於產值龐大，多數製造業眼中售價高昂的自動化設備與智慧化系統，對業者來說所佔的成本比例並不算高，另外也由於產值大，即便導入設備讓製程只有小比例的效率提升或成本降低，換算起來都是龐大金額，因此對重工業者來說，自動化設備是極具效益的投資，也因此導入意願都相當高。近年來智慧化技術不斷推出，各種新想法與新功能持續問世，這些全新的智慧化設備，將成為重工業未來的系統趨勢，進一步提升其效能與安全。

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圖說：重工業屬於連續型製造，設備一但非預期停擺，將導致重大損失。