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重工业首重效能与安全 智慧制造系统让两者兼具

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重工业是国家发展的重要支柱,不但产值庞大、创造的就业人口多,其产品如钢铁、石化...等,更是国家建设的重要物资,也由于产值庞大、从业者多,为提升效率、减少工伤,重工业不但导入自动化系统意愿较一般制造业更高,且时程也更早,甚至在工业4.0、智能制造等名词出现前,其生产系统就已有一定程度的智能化建置,近期智能化技术逐渐成熟,重工业的智能化应用有了进一步的广化与深化。

观察重工业的特性,包括其制造为连续性生产、使用重型机具、厂房地区广阔、工安风险高、设备运行环境恶劣等,因此制造系统所需要的智能化功能也与多数制造业有别。

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重工业属于连续型制造,设备一但非预期停摆,将导致重大损失。

预诊保养确保设备不停机

先谈制造类型,企业的制造类型可分为连续性与间断性两种生产方式,连续性生产是在制程中将原物料不断加工,最终成为所需要的型态,象是炼钢、炼油、造纸等;间断性生产则是组装已成型的零配件,如PCB插件或是饮料填充就属于此类。

绝大多数的重工业属于连续性生产,这种生产模式对制造系统的稳定性要求非常高,因为一旦出现非预期性停机,正在产在线的原物料就有可能无法回复原状而必须报废,进而产生损失,尤其是炼钢、炼油,其产量极大,且原物料成本昂贵,再加上生产程序复杂,若是关键设备故障,有可能全线的半成品会成为废品,也因此钢铁与石化业在早期就导入设备监诊系统,透过设备讯号的撷取、记录与分析,掌握设备状态,在故障前就先预诊保养,让设备可以稳定运行,确保高稼动率。

以炼钢厂为例,炼钢制程从原料输送、炼焦、烧结、高炉、转炉、钢板、热轧、冷轧、线材、条钢、小钢胚,每一段制程的设备数量不但多,且生产条件变化大,若设备故障停机,不但会带来损失,也可能出现工安事件,因此设备状态的实时掌握成为必需。

不过要在炼钢设备中导入实时监控与设备预诊功能,必须克服制程检测周期与范围两大问题,由于检测的人力与时间有限、炼钢厂厂房广阔、设备繁多,如何在一定时间内完成感测网络架构,挑战相当大;另外系统导入后,必须建立起现场工作人员的预知保养观念,让系统的建置效益可被延续,也是重要问题。

智能化让能耗与废弃物管理更有效率

除了制程外,厂务系统也是重工业的智能化重点,现在系统厂商所开发的厂务系统,主要功能包括节能、安全与废弃物处理。

在节能方面,由于重工业的设备耗能极大,再加上电费节节高涨,因此必须透过能源管理提升效益。而能源管理的做法与产线设备的导入目标一样,都是减少成本、提升效能。

在减少成本方面,由于重工业者都是用电大户,均与电力厂商签订用电契约,然而在签订用电契约前,可先透过设备上的传感器,先得知厂房每天正常运行时的电能消耗量,并找出最大耗电量的设备,而这也必须透过生产设备的感测网络建立才能得到相关数据,进而规划、制定出用电行为与策略。

重工业的电能消耗远比一般制造业高,因此无论是制程或厂房其用电管理都必须有更进一步的审慎计画,对业者而言,此一计画会是一套由上往下的整体管理,先透过底层的数据撷取与掌握后,再拟定减少的能耗与用电效率数字,从技术、用电方式、人员认知等方向着手,才能按照步骤稳定地落实目标。

能源除了使用时需要智能化,使用后的废弃物处理也需要有规划,尤其近年来环保意识抬头,法规日益严峻,无论是从整体环境或企业成本考量,最低污染的妥善处理都是最佳选择。对重工业者来说,由于原物料成本高,都会尽量物尽其用,透过种种制程将原物料不断转换为不同产品,让所产生的价值最大化,因此到最后的废弃物,都是难以回收再利用,多数甚至有高度污染,像之前就传出台中神冈、高雄旗山的河川与沟渠受到钢铁厂的炉渣污染。

针对废弃物处理,环保署早有制定「事业废弃物贮存清除处理方法及设施标准」,要求企业必须将废弃物以主要成分特性分类贮存,同时贮存地点、容器、设施必须保持清洁完整,不得有废弃物飞扬、逸散、渗出、污染地面或散发恶臭等情事,对此现在市场上已有专业仓储与搬运系统,透过高度智能化的设计,妥善储存废弃料。

为避免污染,废弃物在运送与仓储过程中,都必须全程掌握所有信息,且由于这些废弃物的高重量与庞大数量,当作业人员以叉重车将废弃料桶从车上卸下后,就由全自动化设备接手,先透过输送带将废弃料桶送至指定货架下方,再以自动化移动设备将料统置入货架中,且可透过货架上的感测技术侦测存放状态,确保安全。

警报与巡检管理,让厂房更安全

安全也是重工业的必要设计,又可分为制程与厂房两类。制程分为设备与人两大重点,制程设备主要是侦测机台状态,有异常时就发出警报提醒作业人员,重工业由于设备多,加上各设备的警报讯息意义不同,若未加管理,就会发生制造现场不断传出警报声响的状况,初期会让管理者疲于奔命,后期就会失去警觉,让真正紧急的警报淹没在众多声响中。由于重工业属于连续制程,一旦中断会造成重大损失,因此警报的设定与管理必须非常精准;而要让警报精准化,必须先统一设定警报的讯息定义,并让各层级状态有不同警示,如此才能让产线兼具效能与安全。

在人身安全方面,由于重工业的制程都有高危险性,因此人员在操作机台时都有SOP(标准作业程序),而绝大多数的工安事件都是未按规定所导致,不过在制造现场,要强制落实SOP并不容易,部分员工会为了效率或种种因素便宜行事,让风险大增。近年来AI与影像技术结合,可透过AI分析影像意义,目前已有厂商将之应用于制造业,在监控摄影机中导入AI功能,在后端先行建置工厂SOP的标准动作,当摄影机照摄的员工做出非标准动作时,马上透过摄影机附设的喇叭发出声响提醒,另外也可侦测特定区域的人员进出状况、有无遗留物品,提升厂区安全。

另一个安全设计是厂区巡检。安全巡检是重工业的必要动作,不过由于厂区范围大,且其多采用纸本勾选项目做法,容易敷衍造假,让巡检管理难以周全。对此可以两种方式解决,若仍需以人力巡检,可使用移动式设备(如平板计算机)与Beacon搭配,当人员到Beacon设定点后,平板计算机才能与之连结作业,确保巡检动作的落实;或者现在也有厂商开发出巡检机器人,由机器人巡视厂区,同时在上面配置摄影机记录画面,一有异常马上通知管理人员处理。

重工业由于产值庞大,多数制造业眼中售价高昂的自动化设备与智能化系统,对业者来说所占的成本比例并不算高,另外也由于产值大,即便导入设备让制程只有小比例的效率提升或成本降低,换算起来都是庞大金额,因此对重工业者来说,自动化设备是极具效益的投资,也因此导入意愿都相当高。近年来智能化技术不断推出,各种新想法与新功能持续问世,这些全新的智能化设备,将成为重工业未来的系统趋势,进一步提升其效能与安全。

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