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技術趨勢
邁入智慧製造第一步 建立智能化工具機資訊整合標準
2019.06.13∣瀏覽數:256

資訊模型標準推動緣起
在工業4.0的浪潮下,製造業者逐步將各種工廠資產(人、機、料、法、環等)的資訊孤島連結到生產管理系統;其目標是建立全面企業資源優化與敏捷反應系統,以應對近年來快速變化的客戶需求。同時間,臺灣機械業者也希望能洞悉製造業的新興需求,預作技術開發或整合,來創造產品的新商機。 然而,臺灣機械設備相關整機或零組件業者多屬於中小型企業,人力或資本均難以負擔昂貴的生產管理系統及後續維護服務,難以完整體認終端客戶需求,在探索未來出路的過程中十分辛苦。
◆ 工研院機械所 湯鈞汶、鐘裕亮

工業技術研究院在分析工業4.0的發展脈絡後,瞭解機械業者進行數位化的遠程目標 應需多方發展設備或零組件的智慧化資通 訊技術,不僅可透過工業物聯網(Industrial Internet of things, IIoT) 連結生產管理系統、 機器學習、雲端服務等資通訊技術,也能達 到元件間符合國際標準的互溝通、互操作的 機對機能力(machine to machine, M2M), 提昇機械設備的品級。要達成上述功效並契 合國內製造業國情的第一步,應是依據有公 信力的通訊標準規範,建立設備與零組件的通訊模組。在此通訊標準中有一項重要的規 範是設備資訊模型(Information Model),資 訊模型是將設備的物理組成或使用上的操作 邏輯轉化為資料描述來呈現,是該技術領域 的智慧化知識(Domain Know-how)表徵,可 讓使用者快速瞭解資料的特性,降低使用者 學習門檻。讓設備或零組件的資料透過通訊 標準規範呈現在通訊模組後,終端使用者可 以快速取得與應用設備的資料,加速數位工 廠的整合進程。基此,故投入機械設備的資 訊模型發展與應用,將是近程發展本國智慧 製造的第一步。

OPC UA已成為機械產業的重要通訊標準
OPC UA的全名是OPC Unified Architecture (OPC統一架構),是由OPC基金會提出的 創新通訊架構,滿足多種工業應用規範,主 要包含資料通訊、存取機制、標準化通訊協 定、可靠度與資訊安全等應用要求[1],並具有 跨平台(不限制作業系統或是程式語言)、開 放程式碼(標準可以免費取得,實作設備不需 授權費)等產業優勢,且已成為 IEC 62541國 際標準。

對設備或零組件業者而言,OPC UA最 迷人之處是它的可擴充性。OPC UA的架構 如圖1所示,綠色的底層為基本通訊框架服 務,而使用者可在綠色的底層之上,建置黃 色區塊的資訊模型。OPC UA建議產業公協 會可基於技術或設備的共通性,建立該技 術領域的共通資訊模型,讓技術領域知識 的表徵一致化;同時,也可基於特殊應用 情境延伸擴充專用資訊模型,以使各產業業 者仍可保持其設備功能的獨特性。使用者建 置資訊模型服務的過程就如同堆積木般的便 利,此專屬OPC UA框架下所發展的資訊模 型,也被稱為OPC UA伴隨規範(Companion Specification)。

在OPC基金會的多年努力下,已與十數 個國際各式公協會單位串聯合作並獲認可, 致使OPC UA已成為現代工業4.0概念下的 主流工業通訊標準之一。尤其是德國機械公 會VDMA,已針對所屬十數項機械設備或零 組件,積極與OPC基金會制訂資訊模型,據 以共同搶佔機械領域的智慧製造標準的制高點。再加上歐洲塑料和橡膠機械製造商協會 EUROMAP及德國工具機製造公會VDW分別 在射出成型機與工具機已訂出基於OPC UA 的共通資訊模型正式版,故OPC UA已顯見 成為機械產業的重要通訊標準。

工具機資訊模型國際趨勢與推動情況
世界上第一個最具規模的工具機通訊標準 規範是美國機械製造技術協會(AMT)於2008 年所推出的MTConnect[2]。在當時網路技術 蓬勃發展的情勢下,AMT 2006年度大會討 論了網路時代可能會工具機械帶來的影響, 進而發展與促成了MTConnect通訊標準。 MTConnect是一種資料與資訊的交換標準, 主要目標是要從製造現場的設備取得需要的 資料,並且作為資料驅動(data driven)的決 策依據,讓硬體設備也具有隨插即用(plugand-play)的能力,降低製造軟體系統的整合 成本。由於推動較早,許多國際大廠均提供 MTConnect標準的相關功能。圖2是Mazak 使用MTConnect標準的應用情境,以智慧機 上盒(SMB, Smart Machine Box)收集設備與 周邊元件資料後,將資料呈現與分析後作為 製造現場或企業決策的依據[3]。

MTConnect定義的資訊模型如圖3所示, 以裝置與元件的從屬關係建立一個樹狀結 構的資料呈現方式,讓使用者可以直覺找 到需要的資料。例如要取得線性運動軸 的相關資料,可以從機台(Device)的元件 (Component)中先找到運動軸集合(Axes), 再從中找到Y方向的線性軸( L i n e a r – Y Axis),最後在該元件下即可找到相關的特性(Properties)及資料項目(Data Items)。其後 OPC基金會推出OPC UA架後,兩者一起提 出MTConnect的OPC UA伴隨規範,其中通 訊與底層元件是採用OPC UA的規範,而資 訊模型部分仍呈現與既有MTConnect相似的 架構[4],此資訊模型仍持續發展中。

OPC基金會與德國工具機製造公會VDW在 2016年合作訂立電腦數值控制器(CNC)的資 訊模型標準規範,並在2017年釋出第一版的 正式文件[5]。與MTConnect相比,將標準範 圍限縮在工具機的CNC,資料也僅包含CNC 提供的原始數據,整體資訊呈現也比較簡潔,很適合用於建立CNC的智慧應用軟體。 故延伸加速推廣設備聯網,VDW與其伙伴企業在2019年2月22日啟動umati共通工具機介 面(universal machine tool interface)工作 組[6],目的是將不同通訊規格與介面的設備, 以OPC UA的方式統一成共通介面,提供給上層製造軟體使用,如圖4所示。VDW的資 訊模型做為umati工作組制訂討論的基礎,預計在EMO 2019之前公布umati的OPC UA伴 隨規範候選版。
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