助力製造業無痛轉型 智慧工廠教戰守則揭密

作者 : Anthea Chuang,EE Times Taiwan

新冠肺炎(COVID-19)疫情為製造業帶來「隔離」、「禁外出」…等管制挑戰,使得工程人員無法到達工廠現場進行設備維護。不過,新冠肺炎疫情也掀起全球智慧製造浪潮…

新冠肺炎(COVID-19)疫情為製造業帶來「隔離」、「禁外出」…等管制挑戰,使得工程人員無法到達工廠現場進行設備維護。不過,新冠肺炎疫情也掀起全球智慧製造浪潮,透過自動化、智慧化、數位化,推進至工業4.0時代,並落實「智慧機械」,進一步打造製造業智慧化產線,提升機械自主研發能量及製造業附加價值,可讓製造業因應疫情間人力不足、產品多樣性與快速接單的需求,讓業者能在疫情中順利「存活」。

但打造智慧工廠不僅是條漫漫長路,沿途還佈滿諸多挑戰,業者們如何一一過關斬將,通關「密技」將相當重要。因此,本文將從元件到管理系統一一探討,要順利打造智慧工廠,業者們該儲備哪些關鍵技術。

3i掀起製造革新

先前在疫情嚴峻時期,限制人們外出、相互接觸。因此在工廠內的高機能設備,技術人員無法至現場調整,機械手臂也無法進行保養,或者由於疫情來的突然,工廠實施分流上班政策,作業人員之間無法有效溝通、交接工作事項…等,都會影響生產力。台灣歐姆龍(Omron)FA產品經理王茂騰表示,在疫情期間,如何做到不停機,成為製造業急需的解藥,並突顯傳統製造業須加快轉型腳步的重要性。

而要讓現有的工廠,搖身變為自動化的智慧工廠,王茂騰認為,「intelligent、interactive、integrated」(智慧、互動、整合),這三個i不僅將掀起生產製造新革命,也將是協助製造業者建置智慧工廠的要素。要達到三個i,必須在現有的機器上透過各種半導體元件為設備添加「智慧」,讓生產機器不僅可以被作業員「了解」其運作狀況,還能「感受」作業員的需求,亦即自行預測分析接下來或是遇到狀況時該怎麼做;此外,工廠現有的設備彼此間都是獨立的系統進行管理,彼此間不能溝通,甚至使用的通訊技術都大不相同,需要跨平台的方案來統整,然其效果卻不佳。因此需要能結合不同系統的完整軟硬體解決方案,而此完整方案也對未來工廠導入人工智慧(AI)、數據化查找問題…等功能有助益,亦可減少業者授權軟體的費用,甚至還能節能減碳。

關鍵元件驅動工廠智慧轉型

上述提到3個i驅動生產製造的新革命,但要成就這場革命,半導體電子元件的協助必不可少。意法半導體(STMicroelectronics)行銷與應用經理謝景翔表示,智慧製造已成為企業競爭力的一個判斷標準,而包括感測器、邊緣運算、多樣化低功耗廣域無線網路…等在內的硬體元件與技術,則是驅動工業4.0智慧轉型最重要的趨勢——智慧製造,最重要的關鍵之一。

 

工業4.0/智慧工廠是由感測器、邊緣處理和各種連接技術推動的新革命。

(來源:意法半導體)

 

  • 感測器

感測器是賦予生產機器具備五感的元件。謝景翔分析,更高的精準度及效能、低功耗、多感測器搭配,以及因應邊緣運算,感測器須具備機器學習/人工智慧的能力…等,皆為智慧製造衍生的新應用,且對感測器元件也帶來新需求。不僅如此,感測器搭配各種軟體後,不但可以做到精準度校正、定位追蹤、設備狀態監測…等不同的智慧工廠應用,更可以做到預測性維護,讓維修人員或是業主可提前知道設備即將「出包」,及早進行維護,以免去停機的損失。

  • 無線網路

若感測器是機器五感的元件,無線技術則是各機器間,或是機器與控制中心、雲端進行溝通的方式。Silicon Labs台灣區資深應用工程師黃金評指出,疫情導致製造業缺工、缺產能的危機,然危機就是轉機,透過物聯網(IoT)連接技術,推動了工業自動化、智慧製造…等新的進展。

 

透過各種連結技術全面覆蓋,將創造無限機會。

(來源:Silicon Labs)

 

不過,雖然物聯網可延伸出許多新的應用,如智慧工廠、智慧製造、智慧城市…等,尤其在智慧工廠中,物聯網連網技術更是實現製程自動化、預測性維護等應用的重要元素。但物聯網目前也面臨著各裝置、系統間無法互連互通的問題,黃金評解釋,現階段,工廠內部環境設備監控、各種設備介面,以及網路/閘道器等系統,都各有各的有線和無線連接技術,例如2.4GHz、Sub-6GHz或低功耗無線廣域網路…等,有些系統甚至使用自有標準的連接技術,導致物聯網應用中的物與人無法順利溝通。要解決此問題,則需具備統一性的標準連接技術,或是支援多無線技術的硬體元件。

  • 記憶體/SSD儲存裝置

由於智慧製造的範疇包括巨量資料、雲端運算、邊緣運算、物運算、人工智慧等下一代的資訊技術,因此,宜鼎科技(Innodisk)智能周邊事業處資深經理吳志清認為,必須將物聯網中裝置智慧化的概念向下延伸到元件的智慧化。如此一來,才能將生產過程的每個環節都高度智慧化,進而驅動智慧製造的核心,並讓資料的流動產生價值。

而如何做到元件的智慧化,吳志清表示,透過主動化、連網化與數據化的過程,將可為工廠現有的SSD、DRAM、風扇、操作面板…等元件及零組件增添智慧。換句話說,元件的智慧化就是能將過往被動蒐集資料的運作方式,透過各式技術,進化為主動回報,進一步實現設備連結與資料整合,再結合人工智慧技術,落實智慧製造的核心價值。

以自家馬來西亞工廠轉型為智慧工廠為例,世邁科技(SMART Modular)亞太區市場開發總監洪綱懋歸納透過人工智慧結合工業4.0概念,如何一步一腳印地將原本的工廠轉型為智慧工廠。他表示,工業4.0概念中的製造過程是指可連接所有設備並將所有資料數位化,並藉由設備間的相互溝通,提高工廠自動化的程度。人工智慧功能則是能促使員工使用協作機器人進行自動測試及品質檢驗流程,進而縮短操作時間,並將人為錯誤減少到最低。

 

工業4.0的四大要求。

(來源:世邁科技)

 

然而要能完全實現上述目標,除了世邁科技採用的IBM伺服架構之外,還需搭配DRAM和SSD技術,才能確保系統始終正常運作,還能避免資料遺失的風險。因此,洪綱懋認為,具備多種尺寸、高可靠度與耐用度、符合標準規範、確保斷電時資料不流失,以及符合工業寬溫、強固性…等需求的記憶體,才能滿足智慧工廠的要求。

華邦電子(Winbond)快閃記憶體產品企劃處技術副理李佳樺表示,智慧製造是整合軟、硬體的發展結果,因此在工廠內外每個環節上的裝置、設備都須針對其設計目標,結合最合適的電子元件,才可符合嚴苛的工業環境要求。對記憶體與儲存裝置來說,符合工規不僅是基本的要求,快閃記憶體內的韌體與軟體,以及可同時記錄使用背景資料的能力亦越來越重要。

更重要的是,非揮發性記憶體的發展腳步也需與工業4.0的發展趨勢同步。李佳樺說明,工業4.0涵蓋的範圍相當廣泛,新的技術如5G、人工智慧也逐漸遍及至工廠各個系統,因此根據不同系統的需要,需有不同特性的快閃記憶體與之搭配。其中,非揮發性記憶體的速度、成本與可靠性,在工業4.0發展過程中對這三項的需求度也已逐漸提高。

完整量測方案加速產品上市

智慧製造牽涉的技術相當多,但各技術的運作是否正常,設備的稼動率是否得以提升,即須仰賴各種量測設備及測試技術進一步證明。克達科技(Coretek Technology)應用工程經理馮育隆表示,工業物聯網/智慧製造應用中採用的連結技術種類相當多元,且裝置的PSM電流也須進行量測,還有許多需要測試的部分,因此僅用單一量測設備無法滿足所有測試需求,必須有一套完整的測試系統才能「面面俱到」。

更重要的是,完整測試系統可節省許多不必要的測試成本,提高設備稼動率,並讓設計工程師能事半功倍,加快產品上市時程。

管理系統牽起IT與OT溝通橋梁

智慧製造、工業4.0的落地並非僅在硬體設備上的升級即可完成。將現有設備或是整座工廠各個系統數位化所帶來的挑戰——如何結合OT與IT技術,對業者來說是在硬體設備之外另一個相當大的挑戰。台灣IBM雲端運算暨認知軟體部門解決方案架構師劉育誠表示,工業4.0維運流程處理中蘊含許多難題。整座工廠數位化之後,工業數位流程會產生轉變,因此如何讓IT與OT人員在工業場域中更聰明的部署、除錯與監控設備的狀況,是業者須考慮的問題。

 

工業數位流程處理的轉變。

(來源:IBM)

 

劉育誠並強調,透過監控中台的流程化和維運操作,可一體化跨越雲端、資料、設備及介面的創新架構應用,協助工程人員順利整合IT與OT技術,取得轉型至工業4.0、智慧製造的價值與應用創新。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌202112月號

 

 

 

 

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