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工厂智能化走上革命之路

工厂智能化走上革命之路
「智能化」应该成为这个世纪的流行语,没有一个产业能够置身事外。从电话、家庭到建筑业,纷纷试着让自己贴上「智能化」标签。从自动化、智能化、到更大的工业革命4.0概念等广为人知的名称,昭示制造业正慢慢见证一场会影响其他产业的革命。
工业4.0定义
Ubisense公司的技术长Andy Ward表示,任何自动化工厂的核心就是「智能化」。他认为「场所智能化」是自动化工厂的组成基础,倘若在重要制程中有物体移动,便需要知道此物体位置、正在做什么。工业4.0描绘出一个环境,其中灵活的智能化制程利用来自连结整体价值链上感测器的实时资讯,优化工业过程。这些虚实整合系统(CPS)利用大数据分析,将所有操作全面可视化,使其达到前所未有的灵敏及效率。
Tech Mahindra全球垂直制造业主席暨资深副总Aloke Palsikar认为,每个人对智能工厂有不同的定义。对他而言,不论是工厂智能化或工业4.0,都反映出如何藉由联网架构技术改变制造流程。如今,制造流程从最低阶的机器设备,到现在可藉由感测器直接连接网路,与其他设备沟通成为物联网的一部分,让整个工作链更透明也更有效率。机器设备不只能相互沟通,还能与上一层或下一层的设备互通有无,免除人为干预做出智能化的决策,这就是现代的自动化工厂。
安迅士网络通讯的政府机关、城市监控暨特殊机构开发部门经理Andrea Sorri指出,所谓自动化工厂是指采用物联网设备来提升产业的效率性、连续性以及操作安全性。在制造零件与操作员之间的即时远端沟通就是一个工厂自动化案例。
研华科技则将智能工厂定义为两个不同阶段。工业自动化事业群副总经理张仁杰举例,智能化工程是工业4.0的一部分,而工业4.0包括设计阶段、制造阶段以及物流阶段。这整个项目都叫做4.0,其中智能工厂逐渐变成流程的中间项目。
威强电工业专案经理Jerry Huang针对此话题更进一步说明,智能工厂至少有四个组成项目:第一是机器对机器的整合;第二个部分是领域知识;第三个部分是前后段的商业智能化;第四则是市场需求。若要以一个词来定义智能化工厂,那必定是「整合」。Altizon公司执行长Vinay Nathan也从四个领域来定义工业4.0:工厂智能化、客户服务电子化、相互连结的供应链、电子商务。任何工业4.0的倡议皆肇始于这四个部分的其中之一,并快速转移与其他范畴相互重叠。
制造业的革命:客制化
由于实时讯息交换,制造过程能以更有效率的方式运作,例如藉由对操作需求的即时反应与收集资讯以达到最佳化、预测维护需求以及改善运作安全性等。将这些优点结合可节省成本和时间,并确保最终提供高品质的产品;不同地点的工厂资讯可以集中管理,并辅以高解析影像、热红外线画面以及良好的声音品质。
智能工厂尝试以各种机器、设备、流程控制器来达到高「情境觉察」(situation awarenes)状态,而管理人员则可以同时去观察工厂的其他环节。Palsikar对此表达其观点,「这代表智能工厂变得更有弹性、分散式管理,并能适应持续改变的动态程序。」
他亦补充,采用大数据资讯监控及维护管理有效减少了停工期,使工厂生产力提高;而利用感测器掌握制程,能有效减少重工以及不良率,因此产品品质也优于其他生产线。由于制造过程有较高的能见度以及掌控性,依据市场需求进行生产作业的时间也相对减少,使得消费者能获得极佳的个性化商品。
相较于传统工厂在面对需求的改变及生产过程中的问题应变能力有所限制,或许该问:智能工厂能否知道工厂内发生什么事情?工厂需要哪些东西?能否改变现况以改善效率及生产量?
Ward举例,一条传统汽车生产线只能制造非常少量、源自单一类型汽车的不同变形,如福特汽车在生产线上的每个工作站执行固定工作,此举能大幅提升生产效率。然而,这样的工厂无法在划分特定类型产品生产率的同时又保持高生产效率,如此昂贵的设备也无法满足其他产品模组需求。「当顾客的需求更多元、交货时间更短、产品更便宜时,工厂营运就有越弹性越好的压力。智能工厂会将现在的产品需求以及生产线的每一个阶段纳入考量(可能会精细到单一客户的单一产品订单),自动采取相关流程以制造出订单产品,即便是来自不同产线的其他产品!藉由导入智能自动化,对生产过程进行逐项更改,才能让如福特这类的工厂避免增加成本。」
他补充,客制化仅是智能工厂带来的其中一个优点,它还能被运用在解决生产问题,能够绕过运转不顺的机器,而改道由其他设备来维持生产流程,并从前一次的生产制程学习,改善和提升日后的生产效能与产品品质。
张仁杰也从他的角度举出两种情况。「工业3.0在欧洲国家已经结束。他们只有两条路走,一是根据工业3.0来改善自动化项目,二是走向工业4.0,这取决于他们如何从工业3.0衔接到真正的工业4.0。中国和亚洲也分两条路线发展,他们接受工业4.0概念却先采行3.0的做法,或是只有做到3.0而不继续往4.0发展。我们认为4.0会逐渐落实,同时也将提供大量的商机。另一个情况是我们不再以系统工程商为主要目标对象,而是朝向终端消费使用者。」
未来工厂具备非常灵活的生产制造方式,能满足潜在不同类型产品的生产需求,重新配置工作站以生产更新更好的东西。在这个意义上谈及智能工厂,或许就要从根本上重新思考什么是制造业。
摄影机扮演的角色
根据Ward说法,智能工厂使用广泛资讯来源做为决策参考,而影像即是其中之一。「影像被应用在感测及流程控制(例如:确保部分敏感生产区域没有被外来物体干扰),在产品测试及品质检验上也有所帮助(例如:确认所有螺丝都有被牢系在完成品上)。影像资料需要大量的阐释,在照明环境良好及安装施工正确的情况下能获得最佳效果,进而降低现今影像分析演算的错误率。在环境不佳的情况下,直接使用RFID系统检测、识别可能是更好的选项。」
Sorri表示,摄影机在智能工厂内具有防损、远端监看、操作流程管理、安心与安全性等作用。如专门生产蜂蜜蛋糕、位于捷克的MARLENKA国际公司,其在生产线上架设大量摄影机以监看产线的输送带移动状况,产品包装部门和递送部门也设置摄影机掌控运输状况。这套摄影机监控系统必须满足长达90天录影纪录的需求,以期能让递送部门的摄影机以最快的速度找到特定时间的影像画面。未来也将会在包装检验部门或低于冰点的冷藏室安装更多的摄影机。
ZAMPRA国际工程公司是另一个摄影机应用于智能工厂的案例,主要是用作传统的安全性目的如围篱防护、预防窃盗及监看等。藉由这些摄影机能够确保产线作业员的安全性及特定生产流程的正确性,同时也能有效减少作业伤害与作业中无故缺席等情况。很快地,由于技术提升带来卓越的光学品质及摄影机软体功能的强化,例如能快速搜寻影像资讯等,将使得摄影机相关的其他应用更有效率,进而使产线运作最佳化。监控系统的装设使生产品质有长足的进步,产量相对增加,也减少了工作伤害以及无故缺席的情况。目前为止,监控系统仍然维持独立运作状态,但ZAMPRA已经考虑在未来要与其他系统相互串联。
威强电工业Jerry Huang也分享了摄影机于智能化工厂的两种应用目的。第一个是缺陷检测,工业环境摄影机的主要工作就是确认精密度及公差状况;第二个目的则是监控,即为一般安全标准应用。
机器人投入产线运作
与传统工厂相比之下,智能工厂最重大的变化是导入各种不同类型的机器人,例如汽车制造以及电子产业中已经可以看到许多采用机器人生产的实际案例。在不久的将来,我们会听到更多应用案例,人类与机器人一起工作以强化汽车生产线,并藉由机器人系统来降低新式样汽车的重新配置时间。
Ward也谈到类似的生产线,并补充自动化对智能工厂也是不可忽视的一环,尤其是在组装、物流以及产品检测部分。「每个人对于机器人在传统汽车工厂焊接车身的景象都很熟悉,然而随着机器人的动作越加灵巧精细,可以参与的组装流程更为广泛。特别是在智能工厂中,机器人非常适合处理固定的生产重新配置流程,能大幅提高生产效率;并且利用自动化系统中的自动导引无人搬运车(AGV)系统,适时地递送不断更换的零件以支援大量客制化生产需求。」
智能工厂的关键感测器
感测器运用在工业中已经有数十年之久,并发展出许多类型(压力感测、非接触/接触式感测、尺寸感测、位移感测、速度感测、旋转感测、编码读卡机?等),皆以不同方式接收讯号如电磁式、光电式、光学式、无线电以及其他讯号等。然而,新一代的感测器则具备智能化和通讯功能,能更快的装置完成,价格也容易被市场接受。
Palsikar表示,「这些感测器运作时不耗电,相当容易拆装、可以方便携带,使得应用范围更加广泛。有部分感测器应用于产品识别例如以影像撷取辨识,RFID或Nano标签等。在店铺楼层安全防护部分则采接触式感测器以及精密物体移动侦测(例如人机协作),还有许多人身安全应用感测器选择,例如可搭配火灾侦测、气体外泄侦测以及安全应用的各种化学感测器。最重要的是,能将来自各种不同感测器的即时讯息加以结合运作,并以逻辑演算预测以及监看即时状况来采取正确行动,两者几乎是同步进行。」
Ward指称,智能工厂搭配位置追踪感测器能够确认作业中的人、物,工厂内部的工具,或其他生产相关设备都在正确的位置。「藉由追踪这些项目以及观看项目之间的互动状况,工厂能够监看两者的生产流程,并能依此判断什么时候、哪段流程需要调整。」
以汽车工厂来说,可能会有不同类型的汽车要在同一条产线制作,因此,当组装不同车款时,就需要依据不同类型车子的设计而改变电动螺丝起子的扭力。透过即时追踪工厂内的车子以及工具位置,能够随时知道哪个工具用在哪台车子,并能藉由无线网路传输立即修改成正确的扭力。如此一来,作业员只要拿起螺丝起子将螺丝对准孔洞并启动螺丝起子,不需要担心扭力的正确性,因为电脑随时都会调整。「当然,这是一个关键任务应用,需要一套正确而可靠的追踪系统来支援,不幸的是,通常应用于其他行业的无线电或光学追踪系统使用在工厂环境上是一大挑战-电磁讯号会被工厂内大量的金属反射并干扰。好消息是,新的无线电技术例如超宽频无线电(UWB),即使在恶劣的工厂环境也能达到公分级精确度、即时定位。」
智能化成为基准
智能工厂的出现对制造业而言是一个自然演进。有了无数的感测器以及装置配件,这些智能化生产组件都将彻底改变产业型态。这样的变化将吸引众人的瞩目,尤其是连接设备的安全性以及人类在这之中所扮演的角色。然而,这些都不足以成为让工厂变得更聪明的绊脚石!

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