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虛實智動化系統 實現智慧生產應用

製造業可藉由智慧模型輔助,隨時進行功能性模擬與製造能力模擬,藉以品質與效率,逐步扎穩智慧工廠根基。德國DFKI研究中心

綜觀工業4.0精髓,係藉由「虛(資料流)」、「實(生產機台)串連整體產品生命週期,其間涉及所有生產流程與系統、乃至自動化層面的垂直整合,及PLM、ERP、SCM、CRM等營運系統的水平整合,橫跨IT、OT(Operational technology)兩大象限,堪稱複雜工程。

製造業欲從工業3.0電腦程式化控制之自動化層次,邁向以網宇實體系統(Cyber-Physical System;CPS)為軸心,並融入物聯網、巨量資料及雲端服務等大量先進ICT技術的工業4.0境界,終至成功創建智慧工廠,無疑是一條不得不走、但絕非一蹴可幾的道路。

按照德國工業4.0的精神與重要觀念,最終形成的智慧工廠(Smart Factory),將能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周期工程的整合;欲達成此目的,製造企業的工廠及內部管理流程必須形成網絡化,藉此避免無謂浪費,且進一步發揮降低存貨、縮短客製化產品交貨時程等多重綜效。

由此觀之,要想實現工業4.0,顯然必須促使IT企業端、OT製造端等不同領域系統軟體,皆能智慧串接,意謂底層感測器、控制器所產生的數據,能夠順暢地經由I/O採集器、SCADA/HMI,一路傳遞至屬於企業IT範疇的雲端世界,從而在ERP、MES及APS等商用管理系統的支撐下,佐以巨量資料分析,再反向回饋至自動化設備之基礎,據以實現智慧化生產。

打造智慧工廠 務須融合IT與OT兩端
但問題來了,一直以來在製造企業的營運環境中,自動化系統往往彷若一座深不可測的孤島,與企業IT分屬兩個涇渭分明世界,彼此間始終存在藩籬,如果未能透過有效的方式將此藩籬打破,則自動化設備所衍生的種種資訊,恐無法順利整合到企業資料中心或私有雲環境,連帶也就不可能讓企業經營高層,隨時隨地都能透過行動裝置掌握生產線狀態。

麻煩的事情,恐怕還不僅止於此。先不談IT企業端,光是在OT製造端,其間便充斥著不同廠牌的生產機台,要能彼此無礙溝通,就未必是一件輕鬆差事;此乃由於,不同設備各自走PROFINET、PROFIBUS、DeviceNet、Ethernet/IP…等異質通訊協定,彷彿操持不同語言的多人共處一室,意即光是在工業現場,就同時存在不同語言文化,若任由此現象持續存在,要想達到人機協同、或機機協同等智慧生產境界,無異難上加難。

因此有意朝向工業4.0邁進的製造企業,其先決條件,便是需要設法統合OT製造端的紛歧資訊,藉由一個可以跨越不同協定鴻溝的通用平台,妥善收容來自SMT、IP Cam、機器人、氣動工具…等不同終端的輸出資訊,再結合集中式的上層管理機制與及加密技術,藉此讓這些大量數據,能在安全無虞的狀態下,由身處遠端的管理者集中掌控;先做到這些步驟,再來談後續的關聯分析、智慧應用,乃至於藉由遠端維運管理減少人力投入,才可謂順理成章。

由此看來,無論產學界人士在探討工業4.0議題時,總是將IoT閘道器、也就是所謂的CPS,置於承先啟後、承上啟下的關鍵樞紐地位,道理就在於此,只因為IoT閘道器無疑正是實現智慧工業的最後一哩路。

可以肯定,IT與OT的融合,絕對是推動工業4.0的必要條件,不容或缺,但要實現融合,勢必有所挑戰,足見製造企業意欲推動智動化,將有一番艱辛的苦戰要打。

只不過,雖然導入設備智動化、系統虛實化及工廠智慧化,並結合雲端、物聯網與巨量資料等技術,確實在在都是邁入智慧製造新階段的必經歷程,看似其間蘊含諸多源自於技術層面的挑戰,但這些考驗,並非決定智慧製造轉型成敗的最大關鍵,更重要的是,製造企業必須培養產業跨領域整合專業人才,如此才能順利將產品設計、生產製造、物流運輸及銷售服務當中的巨量資料,轉換成為有價值的資訊與決策,繼而找出具有商業價值的創新應用模式。

雲端、IoT及巨量資料 共築生產力4.0內涵
儘管萬事起頭難,但台灣製造業藉由ICT技術推動升級轉型一事,不僅不容偏廢,而且必須儘速推行!一位政府官員曾說過,談創新,台灣比不過美國;談山寨,台灣比不過中國大陸;談精實,台灣比不過德國;談細膩,台灣比不過日本;談政策鼓勵,台灣比不過新加坡。可見台灣相較於這些國家,明顯並非居於絕對優勢,那麼既然這些國家都積極施展製造業升級計畫,台灣豈有理由獨坐壁上觀?

然而台灣絕非一無是處,其優於上述國家的一大特點,便是兼具彈性與個性。只不過台灣製造業強調彈性速度、單打獨鬥,已有相當長期的背景,難免導致深度不足,展望今後必須吸收他國的優點,增加群體的精神,才有突圍勝出的厚望。

在此前提下,台灣決定師法德國4.0精神,推展訴諸智慧自動化、ICT加值的「生產力4.0計畫」,期望引領廣大製造企業善用機器人單元與智慧決策系統,將過往倚重專用機大量生產的模式,推展至彈性換線、少量多樣生產的新局面。總結來說,生產力4.0的主要內涵,便是實現「高值製造與服務」,舉凡雲端、物聯網及巨量資料,都是強化此一內涵的關鍵技術,至於推動重點,則包含了設備智動化、系統虛實化,以及工業智慧化。

例如手機製造商,即可打造智慧型手機製造雲端平台,據以鏈結諸如機殼、電路板、螢幕、天線、電池、應用軟體等上下游供應鏈,藉此縮短彼此間交換規格設計、製造管理、加值服務、資訊整合的路徑,且一併提高製造附加服務與價值,以因應產品生命週期愈趨短絀之挑戰。

此外,同樣以手機製造商為例,接著可整合在工廠端、倉儲端與服務端的物聯網感測機制,全程管理產品從生產工廠出貨至倉儲與展示中心的歷程,藉此達到零庫存浪費、客戶零距離、設備高稼動、人員高效率、財貨高流通等眾多效益。另可藉助巨量資料分析預測,精準掌握消費者在智慧型手機產品的硬體裝置、軟體服務等需求訊息,從而深化個人消費、店頭銷售等評估分析,藉以迅速回應市場脈動的演變,開發新一代智慧型手機機型與應用軟體。

經由上例,即不難看出製造企業確實可以拜實踐生產力4.0內涵之所賜,進而轉型至高值製造與服務位階,創造更大的商業利益;智慧型手機製造商如此,其餘屬性的製造業者也不例外。

當然,生產力4.0內涵絕非憑空養成,必須仰賴虛實智動化生產系統與智慧工廠作為發展基石。針對堪稱是生產力4.0核心的設備智動化環節,企業可循三路並進模式完成布局,分別導入智慧機器人、智慧化設備、智動化製造系統等「科技化硬體」,部署智慧感測、高速運算、智慧決策等「智慧化軟體」,並建構具備虛擬設計分析、生產模擬分析等機能的「虛實化系統」。

如此一來,企業即可藉由涵蓋感測器、閥、泵浦、控制器、手持裝置等資料蒐集基礎,執行巨量資料分析,終至透過由生產管理?生產製造系統、智慧工廠、應用平台所構築而成的「虛實智動化生產系統」,一舉實現諸如電子工單、生產過程透明化、生產過程可控化、產能精確統計、數位電子看板等高值化應用成果。

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