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发展工业4.0 软/硬件集成发展才能竟其功

  • 魏淑芳
智能工厂可透过物联网集成,让第一线工作者掌握生产现况。(Sentrolcloud)

DIGITIMES企划

工业4.0可以说是集成优化生产效能的一个集合概念,在国外,智能工厂、无人工厂等实际生产环境相继投入,验证工业4.0擘划的生产概念是确定可行方案,由于新一代的生产机导入联网功能与智能化设计,与工业计算机于运算效能、人工智能方面升级/优化技术逐步到位,渐渐使得发展智能工厂改造升级的效益逐步浮现。

加速智能工厂推进进程的另一关键便是生产人力成本持续高涨,例如台湾人力资源环境面对劳动新制的一例一休,大陆虽早期仍有人口红利优势,但实际上在区域经济能力与外围生活水平提高下,也冲击一般生产人力的人均成本上扬,过往仰赖生产单位转入大陆地区或东南亚地区设厂以降低生产劳动力成本的策略,已渐渐也行不通,更凸显导入智能工厂与智能生产的急迫性。

网通模块单位成本压缩  万物联网时代来临

在物联网基础上,万物联网的时代已逐步自概念走向实践,因为联网的网通模块单位成本在半导体技术优化下成本大幅压低,这也让生产机具导入更多监控、感测模块的智能化应用基础耗费成本持续压缩,这代表著导入智能设备的门槛正逐步压低,这也是推动工业4.0的关键因素。

但在实现工业4.0规划远景,光靠设备转向智能升级是不够的,智能化不只是提升单位生产效率这么单纯,而是需要搭配更多软件或系统的集成,以软/硬结合的概念改变目前常规的生产型态,因应未来可能高变动生产内容、小批量多样高效率生产的新模式。

软/硬件深度集成是实践智能工厂的基础

软硬件深度集成,是推展工业4.0智能化生产的关键因素,因为工业应用场域的数码信息已不再仅有资料流程,而是硬件产生的各项感测数据、制造数据实时分析与智能互动处理的结果,早已从自动化生产的概念自本质上大幅颠覆传统生产模式,而非人力生产转往自动加工这么单纯。

在工业制造商方面,多数厂家也认同生产机具的智能集成,搭配软硬件深度结合,已是制造商能否在这波技术革命浪潮中脱颖而出的重点,也是生产制造商的未来十年的核心竞争力重心。

分散式部署生产线机具  搭配物联网集成

未来物联网世代中,除了是人与人的互动、人与机械的互动外,机械与机械的互动、再结合人与机器设备的交互,直接打破传统设备集中式管理的运行生产型态,设备的部署会再更灵活、更分散化,但分散部署的同时也因为物联网的深度信息集成,进阶达到增强设备控制在数据精度、实时性与设备调用的高度弹性,实践工业4.0高度灵活设备部署与应付个性化、小批量生产的设计目的,让原本采大批量生产压低成本的传统生产方式,使生产产线转为提供服务型的生产模式,因应新一波生产活动趋势变革。

据Gartner研究预测,直至2020年全球连结无线网络的设备或终端,将达到210亿个之多,互联设备或产品可能产制的各式数据,也是推动维来工业革命的重要契机。

实时采集生产数据 透过分析/决策提升效能与毛利

而现有在物联网与工业4.0趋势的相关讨论中,参与制造的人也会因为大量自动化、数据化集成,使得参与生产的人力再进一步精简,生产人力的优化也是智能生产的讨论重点之一,但实际上换个角度检视,在物联网与大数据集成下的智能生产,可以让第一线产线工作人员更能深度掌握生产数据、融入生产设备的互联平台,而第一线生产人员可运用如平板计算机、智能手机远程操控设备与检视设备加工工序,实时参与整个生产产线、甚至是工厂的运行与状态监测。

除生产人力的再精简、优化,物联网在工业生产上还能大幅提升生产效能,尤其是针对少量、多样化高复杂度的加工工序生产物件,也能透过生产程序自物料进料端至成品产出全程无缝监控,在生产制程的安全性、可靠性都能大幅提升,甚至达到每个生产物件均可确实掌握整个进料、加工、多次处理的所有状态数据,也能为工厂管理人员带来更新颖的工作环境,从大量手工、劳动,改以大量数据、自动化处理,生产人员仅需关注数据与生产问题处理,更专注于生产优质产品的思路。

工业4.0冲击最大的是制造业,在此同时也推进生产自动化设备厂商持续升级,从传统自动化常规的各式致动器、驱动器、控制设备外,在这些核心组件扩增感设单元、集成物联网网络、形成智能化生产单元,让传统的自动化机具集成更推展至智能设备、具机器学习的加工机具设计概念,自动化厂商除在产品设计的思路需大幅改变跟上物联网潮流外,产品设计理念也面临全新智能化、AI集成的新冲击。

因应工业4.0  工业计算机性能、联网能力提升

而生产设备扩增大量感测单元、联网功能外,也必须能在生产现场或加工物扩增更多监测与自动处理能力,例如针对加工物进行加工过程监控、加工物出现瑕疵实时回馈分析与提示工厂加工人员关注,再透过物料源头分析可能成因实时排除可能问题,达到节省废料产生、优化生产成本。

而能达到上述工序优化的方向扮演整个产线大脑的工业计算机,在工业4.0环境下的角色也会日益加重,效能、体积、集成便利性等,都成为新一代工控计算机的基本要求。

可以预见的是,在工业4.0与物联网趋势下,工业计算机的关键角色将自产线自动化转向驱动产线智能化的重要枢纽,未来在生产在线的各种加工设备,势必会追加大量的传感器、智能监控设备等,在生产过程实时监控各种来源与加工机具产生的大量数据,透过资料端点采集回来的原始数据送至工业计算机进行分析、优化,进而透过人工智能与判断逻辑产生判断条件,由设备自主处理各种生产问题。

工业计算机从自主分析数据、判断数据,产生回应连结生产机具,到控制产线进行自动优化生产处理等,工控计算机的性能与稳定性要求早已超越旧产品的要求层次甚多。

可以了解的是,因应物联网与工业4.0,工控计算机基本上在性能都需要有能够处理采集回设备的数据初级分析、汇整能力,基本上在I/O扩展能力要求就相当重要,另在系统串接、扩充与设备可堆叠、扩展支持各种产线支持,就成为相当关键的功能指标。

网通技术也是发展智能工厂的技术关键点,工业4.0的重心即在生产环境的设备间网通系统集成,目前可用的M2M通讯集成方案相当多元,解决方案厂商也无不摩拳擦掌积极投入市场,现有可用中/长距离通讯技术包含4G、LTE、3G/2G、Wi-Fi通讯方案等,在短距通讯传输方面则有Zigbee、Bluetooth Smart Sigfox、通讯模块等,若机具设备有定位需求,另有GNSS、GPS模块可选用。

对生产机具而言,因应每个生产端点的联网需求,M2M方案可以说是集成重点,透过SIM卡搭配网通模块集成,建构设备间网络的数据传输方案其实对部署设备来说是相当便捷的选择,尤其对大型制造商在全球化经营下、厂房可能部署于多个国家环境,使用4G、LTE、3G/2G通讯方案对跨国性生产商是相对便利的选项。