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工業4.0:製造模式的巨變

工業4.0:製造模式的巨變
回首過去三個世紀以來,生產製造已經走過幾次變革:18世紀的工業革命,蒸氣機取代生產流程中的部分人力需求;20世紀初組裝線的出現,造成大批量生產的增加。之後隨著電腦、網路及機械化的增加,生產線設備的自動化程度日漸加深。

來到工業4.0階段,嵌在機器中的感測器及其收集到的資料,使得資訊傳輸技術與製造技術間更加融合,達到工廠高效率、高智慧化的目的。思科製造與能源行銷經理EricEhlers表示,工業4.0正從幾個部分改變製造業,首先是工廠生產線設備的連接性,不論是增加連線功能的新設備,或將舊設備改造來支援連接功能等,這種連接可以「釋放」有用的資訊,藉此提高總體設備效率(OEE)、預測性維護,從而延長工廠的正常運行時間。製造商也積極尋找提升效率、減少物料使用以及其他降低成本的方式,達到省錢目的。

自動化關鍵:工業物聯網

有許多由工業物聯網(IIoT)達到工業自動化的例子。例如,機器視覺(Machine Vision)代替人眼,使產品檢測更加有效且不易出錯,也可以用來自動引導車輛,在沒有太多人為干預的情況下提供行車路徑。此外,氣體感測器或其他類型感測器可及早發現氣體外洩問題,並提醒作業員,必要時進行人員撤離以減少損害。事實上,各種IIoT相關的優點將會持續推動成長,根據Markets and Markets市調公司最近發布的市場研究報告指出,IIoT市場預計將從2015年的1,137億美元增長到2022年的1,955億美元;而2016年至2022年之間將有倍數成長,估計年均複合增長率為7.9%。

在IIoT結構中, 感測器收集各類型資料,例如機器狀態、現場環境條件以及每個工作人員的作業時間。而將資料發送到後端進行分析之前,會先透過如工業電腦的邊緣運算設備進行過濾分析。在IIoT出現前,不同的系統猶如在孤島中工作,無法有效整合;現在透過IIoT,能更加強機器與機器間的相互作用及資訊流通。

Ehlers解釋,早期的系統整合是以串列技術為基礎,透過網路閘道(gateway)連接到乙太網。雖然串列技術的信賴性高但速度不快,當頻寬及網路流量需求增加時無法隨之擴充,這種舊式架構代表著不同的工業資料通訊標準以及獨立運作設備。乙太網標準隨著時間的推移,而發展出滿足工業應用的決定性需求。乙太網在製造業中的優勢在於它以開放標準為基礎,可滿足不同設備和系統,在工業環境的內部網域達到互動的目標,不論有線或無線設備皆適用,而傳統非支援乙太網的設備也能透過網路閘道連接到乙太網。最後,全面整合代表能管理工廠端各式感測器資料,並能夠從全球不同機器、不同工廠,提取有用的資訊進行業務分析。

至於IIoT的主要應用區域,Ehlers則舉幾個製造業的先驅國家為例,包括德國、美國和日本,他們同時也是汽車行業的主要製造商,由非常先進和精益的製造工藝組成。他表示,「小幅改善停機時間,或稍微降低成本,都可能大幅減少成本。」

智慧感測解決生產問題

工業4.0已經成為製造業越趨普遍的概念,製造商期望利用IIoT和其產生的資訊來達到更先進、更智慧化的生產設備。到最後,IIoT將有益於工廠產線變得更簡單、自動化以及更安全,其最大優勢之一便是幫助管理者提高效率並減少浪費。Quartic Technologies首席技術長Alex Sparrow指出,「這一直是我所談到大多數製造商的重點──降低成本和浪費、減少停機時間和循環周期;另一個大問題則是在流動的產線上排除不合格的產品,若能越早做出這個決定,越能節省時間和金錢。」

Ehlers也認為,機器上的感測器可以檢測到溫度和振動,協助管理者解決任何潛在的生產問題,從而減少報廢品、浪費甚至重工作業。戴爾台灣區基礎設施解決方案資深經理Eric Leung補充,「獲得正確的環境數據如溫度和溼度等,可為作業人員提供更多可判讀資訊。根據阿爾卑斯電氣(Alps Electric)的報告,這項資訊有助於將雷射印表機不良率降低15%。此外,不同的工作人員能做不同的事情,藉由資訊分析,可以找出哪些工作誰做得更好,我們便能把合適的人放在正確的位置上,從而提高效率。」

工業物聯網可以在預防性維護中更進一步扮演重要角色,達到全方位監控設備狀態,以便操作人員知道哪些機器即將失常並立即採取對應措施。Leung表示,「在機器層面上,能維持製造單位的正常運作時間有極大的好處。作業團隊能夠隨時查看資料並了解機器的整體健康狀況,使他們能夠保持工廠產線的正常運行時間,可說是至關重要的防守底線,畢竟有些公司的停機成本可能高達每分鐘兩萬美元。」

加強作業員的安全性

IIoT的另一個主要優勢是提高生產線上的作業人員安全性。Leung說明,「藉由IIoT,我們能較妥善保護人員免於置身危險環境。例如,在過去的工作環境中,萬一有無色無味的氣體外洩時,恐怕無法在爆發前就找到外洩地點或問題根源;但是利用物聯網感測器,我們可以更早發現異常情況並發出警報,讓工作人員有機會因應或撤離。」

Ehlers解釋,「感測器和攝影機意味著作業員不再需要對難以觸及的機器或危險運作的機器進行手動檢查。甚至在問題出現之前,感測器也能夠及早監測和辨識潛在問題。透過無線技術與穿戴設備的結合,便能正確追蹤作業人員以及資產設備的位置和環境監測。」德國SICK公司即推出相對應的解決方案,利用雷射和光電感測器安裝在可能造成工作人員危害的機器手臂附近位置,一旦檢測到作業員進入運作中的機器手臂時,感測器便發出信號至控制面板,並立即停用機器手臂,確保作業員不會受到傷害。

資訊安全及其他障礙待克服

工業4.0是各種感測器和連接設備相關的工業自動化,雖然目前工業物聯網對製造業正產生轉型效應,但仍有許多問題持續發生,令不少製造商裹足不前,網路安全便是其中之一。目前,物聯網主要應用在具備相關資源和策略應用的大型企業,同時有許多製造商則抱持觀望態度。而不同系統之間缺乏互動性,以及公司內部文化的潛在變化等,都被視為影響其普及的可能原因。

Sparrow表示,「從我的角度來看,設備製造商和工具供應商之間無法輕易從硬體中可靠存取資料,是最大的風險。在某些情況下,這些供應商熱衷於使用專用和不相容的資料格式來推廣軟體及系統工具,這可能造成IIoT專案進行困難度增加,成本也相對提高,甚至可能會降低機器學習和數據分析的有效性。因此,希望隨著時間的推移,藉由市場力量帶動標準化、確定資料格式和協議,進而減少這種摩擦。」

Ehlers則指陳,IIoT應用的結果是使經營技術(OT)和IT整合更為緊密,這種融合意味著專案管理方式將變得更加重要,因為這些團隊會在物聯網架構中共同合作,倘若這些團隊在角色和責任方面缺乏明確性,可能會減緩系統架構的進度或成功機率。與此同時,考慮到近年發生的一系列事件,例如涉及網路設備被駭客入侵或作為跳板發動進一步攻擊等案件,使網路安全也成為一個主要問題。Ehlers認為,「這絕對是一個問題。越來越多供應商致力於改進他們的技術,但是在所有這些設備中都沒有相關的認證和標準。此外,因為多個供應商正在共同努力開發產品,早期使用者越來越需要了解供應鏈對設備的投入,結果是發現許多隱藏漏洞的存在,但產線正常運行時間最為重要,所以修補工廠產線並不會是選擇之一。」

Sparrow也認同製造商的確非常在乎資訊安全,「在大多數情況下,將資料轉移到雲端託管環境對實際應用面來看,可能是提高安全性的最佳作法之一。不論是公有或私有雲的服務提供廠商,都會比一般的企業IT部門更重視安全性。當這些服務被正確使用時,沒有理由讓這些環境不那麼安全。」

儘管當前面臨諸多挑戰,但大多數專家指出,只要製造商能夠正確收集、處理和保護資料,投資於IIoT的優點最終將超過潛在的不利因素,在協議和資訊格式方面達到一定程度的整合和標準化。正如其他行業已經發展的方向,資料整合和清理將是達到創新的關鍵。

結語

這波製造業的資料浪潮需要從各種來源提取、計算出應用的功率,並在正確的時間將資料轉移到正確的應用程序,以推動預期的業務成果。為此,須獲得編排資料流的新方法,以及增強企業級計算/存儲能力來處理這些有價值的資料。邊緣運算與分析相結合,將重新定義基礎架構的設置方式,甚至對時間敏感的物聯網應用、資訊管理和安全性等方面也至關重要。分析技術將促使資料費用化的情況增加,對於認知新的商業模式和創造收入的新機會非常重要。

或許就像Leung所說的,「我們已經和許多製造商客戶進行交流,並充分了解不確定性因素的存在。客戶經常會問:『如果我做這筆投資,會產生多少回報,需要多長時間?』雖然短期回報可能不那麼明顯,但長期收益將是顯而易見的。當客戶對IIoT進行一次性投資時,後續系統建置的成本僅在於感測器購入或更新。而且,隨著時間的推移和範圍越來越大,成本也將隨之降低並產生回報。」
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