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工業4.0 服務化典範
2018.07.16∣瀏覽數:139

文 ◆ 工研院電光所 戴熒美資深研究員、工研院電光所 胡鴻烈專案組長、         均豪精密 丁士哲副處長、新漢智能 李立偉副總經理、         工研院電光所 黃斐章研究員

德國為歐洲最大經濟體,產值佔歐盟的二成以上,超過2/3產品出口至世界各地,重點產業有汽車、生物科技、環保科技、醫療照護、機械設備等;特別是機械設備業,德國擁有優良
傳統與技術、領先的研發能量、多元化的工業基礎、以及政府單位的全力支持等,已位居全球市場的領先地位。


為提升德國製造業及機械設備業的競爭力,德國政府提出工業4.0的產業政策,強調整合資訊、通訊及控制於一體的次世代智慧系統,以「智慧工廠」為精髓更新生產流程,可以垂直整合工廠及企業管理流程,並實踐產品及其生產系統的生命週期管理,更重要是跳脫傳統機械設備業的經營模式,發展智慧化軟體、智慧服務化等附加價值。

台灣機械業發展迄今數十年,憑藉產業群聚的專業分工效益,如中部的工具機、彰化與台南的紡織機械、台南的塑膠機械、豐原的木工機械、岡山的螺絲螺帽加工機械業、高雄與桃園的化工機械、花蓮的寶石加工設備等,已在全球市場佔有重要地位,如工具機排名全球第七、線性傳動控制元件排名全球第二等,期望發展工業4.0概念的智慧化方案,創造不同於標準化、泛用機的經營模式,特別是智慧感測、預知保養等智慧服務價值,必須仰賴相關單位共同努力。

德國標竿廠商案例
在工業4.0的發展主軸下,德系廠商積極投入數位化資源及人力,先後推出相關智慧化服務系統。如西門子的智慧化生產系統,面對的是離散型製程的供應鏈問題,利用整合系統方案以提高生產力;創浦的智慧化生產系統,面對的是金屬加工業的產品創新議題,利用跨領域廠商的共同創新以快速因應市場需求;T-Systems及T-Labs的智慧化物流系統,面對的是電商年代的多元化物流需求,利用不同廠商的配套合作以提升國際競爭力,皆在說明如何解決顧客問題以創造服務商機。具體內容說明如下:

西門子(Siemens)
西門子為電氣化、自動化及數位化的領導廠商,經營範疇有發電及天然氣、能源管理、樓宇科技、交通運輸、數位工廠、連續型製程產業及驅動器等事業部,以及健康照護、再生能源等策略性單位,2017年營業收入為830億4,900萬歐元,與2016年的796億4,400萬歐元相較成長了4.3%,特別是數位工廠、再生能源等領域。

在數位工廠部份,西門子發展自動化及數位化以提升附加價值,包括產品開發、產品設計及生產製造等相關內容,同時強調IT保全要求,特別是離散型製程產業的生產速度、彈性、品質及效率,積極推出的MindSphere即是開放式、雲端運作之工業物聯網(IndustrialInternet of Things; IIoT)系統,有開放式應用程式介面(Open application programminginterfaces; APIs),顧客可以簡單、有效地開發自有APP,合作夥伴也可透過網路連結整個生態體系,以提供多元化產品組合及系統方案,並發展產品生命週期及資料驅動型(Datadriven)的服務。

圖一為西門子的智慧化生產系統。上方為傳統供應鏈的運作模式,不同階段的供應鏈成員各自努力,每個階段皆有不同know-how與專業知識,個別廠商能掌握資訊有限,跨企業
溝通仰賴人力,生產資訊無法透明化,有問題時才聘請顧問協助,可能緩不濟急或改善效益有限。下方為西門子的智慧化生產系統以提升生產力,必須界定相關軟體的操作性定義,也會提供數位化服務平台,讓供應鏈廠商共同合作與知識分享,所有廠商皆能掌握完整資訊且互相協調,有助於最適化決策、智慧化預測及因應對策、中小企業服務等。

創浦(Trumpf)
創浦為工具機、雷射技術及電子技術的領導廠商,並陸續投入3D列印及智慧工廠等解決方案,2017年營業收入為31億1,130萬歐元,與2016年的28億850萬歐元相較成長了10.8%,發展重點有工具機領域的客製化設備及自動化方案、製造顧問及財務服務、從產品設計到生產控制的軟體方案等,以及雷射領域的整合系統、軟體工具、應用服務等。

在數位連結(Digital Connectivity)部份,創浦在美國芝加哥的智慧工廠於2017年9月開幕,投資金額為2,600萬歐元,佔地面積有5,500平方公尺,包括生產設備、物料流及資訊流的整合系統,以及顯示所有生產流程參數的控制室,採用完全聯網的生產製造模式,讓人、機器、自動化裝置與軟體完美協作,並促進生產速度及運作彈性,更可控制整個生產流程,藉此說明工業4.0概念的執行方案,適用於小批量生產的板材廠。

圖二為創浦的智慧化生產系統。上方為傳統金屬加工業的運作模式,系統整合廠僅提供標準化參數,但顧客要求卻因市場變化而快速調整,生產工廠通常沒有新產品知識,特別是新材料或新製程要求,只好仰賴過去經驗或試誤方式,可能耗費大量時間、人力與金錢,卻無法掌握產出品質與交期。下方為創浦的雲端服務平台以因應市場需求,生產工廠利用網路平台連結顧客、供應商、設備商及不同產業的合作廠商,可以提供製造決策所需的完整資訊,也利用巨量資料分析以掌握重要變數。

T-Systems及T-Labs
T-Systems為IT顧問服務的領導廠商,也是母公司德國電信的客服單位,期望用創新ICT技術來形塑連結型企業與社會,如雲端運算、移動方案、巨量資料、社群媒體、商業模式等,共有通訊、資訊、數位化等事業部,合作夥伴有Avaya、Cisco、華為、Informatica、Microsoft等國際大廠,可滿足產品開發、生產、銷售或物流等價值活動,也可提升顧客、員工或投資者的附加價值,2017年營業收入為79億歐元。

T-Systems的數位化事業部成立於2015年,聚焦於創新數位化方案,可以優化產品開發、生產製造及顧客管理等經營活動,也積極開發巨量資料分析、物聯網、機聯網(M2M)、車聯網、互聯醫療系統(e-health)等方案。T-Labs(Telekom Innovation Laboratories)則為德國電信與重點大學(如柏林工大等)的合作組織,期望促進產業界與學校的密切合作,發展重點為ICT技術的中長期研究,包括ICT技術的破壞性創新,以及實務應用的情境模擬。

圖三為T-System與T-Labs的智慧化物流系統。上方為傳統物流系統的運作模式,跨國物流業者各自獨立運作,如港口管理者、碼頭/倉儲廠、貨運業者、拖車業者等,溝通介面為對講機等傳統工具,很難對應全球化競爭的物流效率及成本要求,以及港口運輸空間有限的問題。下方則為T-Systems與T-Labs的物流服務平台以提升國際競爭力,可用智慧物流服務
平台連接所有廠商,專業服務廠商也可提供最適化物流決策方案。

台灣標竿廠商案例
因應工業4.0的發展趨勢,台灣廠商也積極開發智慧化服務方案,期望利用整合系統、客製化服務強化顧客關係,擺脫中國大陸、南韓等新興國家廠商的價格競爭,並克服高齡化社會的製造人力問題。如均豪精密的智慧機械平台,利用外掛式感測模組進行資訊收集及預知診斷,同時包括機器學習、人工智慧等智慧化技術;新漢公司的工業物聯網方案及預知診斷
系統,以及機器學習、邊緣運算、巨量資料、人工智慧等智慧化技術。具體內容說明如下:

均豪精密
均豪精密成立於1978年,總部位於新竹科學工業園區,以電子精密模具起家,自創「GPM」自有品牌,掌握自有關鍵核心技術,除了開發半導體、顯示器產業的精密機械製程
設備與智慧自動化外,也配合客戶需求,運用人工智慧及資訊技術,發展智慧服務功能,集團成員有均豪精密、均華精密、均強機械(蘇州)、蘇州均華、均碩國際及均菘商貿等。
均豪精密自行研發「均豪智慧機械平台(GPM Smart IoT Platform System)」,不僅提供產業所需之製程設備,同時提供智慧製造平台的全方位解決方案服務,主要採用「外掛
式」感測模組,透過微小的感測訊號蒐集巨量資料,在線上即時擷取與分析資訊,採用機器學習方式進行異常監控及健康診斷,依據回饋資訊立即通知並快速因應,達到智慧化的預防維護機制,並利用人工智慧從大數據分析找出規律性以建立運作模式,進而避免前面發生的錯誤,有效縮短停機時間,適時做出產線調整。

均豪精密已建構完整的專業研發團隊及24小時On Call的售後服務機制,可即時擷取、分析、回饋調整與訊息通知,其趨勢判斷與異常監控功能,可預估製造系統的健康與壽命狀態,提供有效預防的維護機制,不僅適用生產工廠既有設備的健康診斷與預防維護,線上即時診斷功能更可克服無預警停機、關鍵零組件損壞、設備變異影響製程品質等問題,以最節省的經費發揮最大的效益,達到快速決策與提高生產力等目標,詳見圖四。

新漢公司
新漢公司創立於1992年,總部位於新北市中和區,分公司及營運據點有美國、英國、義大利、日本、中國大陸等地,在台灣生產製造並行銷全球,是全球最大的無風扇工業電腦製造商,主要應用於工業自動化及網通領域;近年來,該公司已成功轉型為工業物聯網方案的供應商,在車聯網、工業4.0及智慧製造、機器人、智能零售等領域也有獨到技術及相關解決方案。

新漢的工業物聯網方案提供「操作技術(Operational Technology, OT)」跟「資訊技術(Information Technology, IT)」之間資料整合的服務,除了自行開發的完整雲端化自動控制系統外,還有針對傳統控制器(如PLC)開發的「物聯網閘道器(IoT Gateway)」、針對CNC工具機開發的「機聯網閘道器(Mechanical Networking Gateway)」,可協助使用者將工廠運轉資訊上傳到server(如雲端),提供戰情室的全方位跨場域管理功能,也有巨量資料分析做為經營決策參考,詳見圖五。

在生產設備部份,新漢公司也開發預知診斷系統,對設備健康狀態做24小時監測並提供早期預警,使用者可知道設備損壞的初期徵兆,預先採取適當對策以防止無預期停機,甚至打破排班維修計劃(schedulingmaintenance plan),當設備是健康狀態就不停機檢修,可以提高設備稼動率,根據使用客戶提供的應用效益,該系統提高生產機台運轉時數近五成,幾乎達到零停機(zerodowntime)狀態。新漢公司也積極研究及導入人工智慧,如機器學習(Machine Learning)演算法來開發邊緣運算(Edge Computing)相關系統,提供工業用戶對即時(real time)或現場(on premise)的人工智慧需求,讓解決方案朝智能化再推進一大步,詳見圖六。

面對工業4.0的智慧製造趨勢,國內外廠商積極發展智慧製造方案,如德系廠商的西門子、創浦、T-System與T-Labs等,國內廠商的均豪精密、新漢公司等,期望利用智慧化服務創造更多商機,關鍵成功要素為有效掌握客戶需求,進而創造智慧製造效益,如提高生產力、降低設備及零組件損失、因應市場需求、提升國際競爭力等,並發展客製化產品的附加價值,使用廠商才能認同此投資的「有利可圖」。

國內精密機械廠商的經營主軸多數為標準化、泛用機,因應智慧機械發展趨勢也積極發展智慧化,關鍵元件為掌握製造資訊的智慧感測器,如振動感測器、影像感測器、位移感測器等,以及配合特定製程的感測器技術,才能發展智慧化服務商機,如預知保養、模擬分析等。

工業局的智慧感測器應用產業推動計畫即立基於此,透過感測器國產化方案以填補國內供應鏈缺口,如加速規模組、高階編碼器、高階電流感測器、紅外線距離感測器等,並建置示範場域進行國產感測器的應用驗證,同時創造應用實績促進商品化推廣,也推動功能安全認證以滿足海外市場要求,重點廠商有均豪、新漢、鼎元、類比科、桓達等,也期望有更多廠商共同投入,推動團隊將透過籌組研發團隊、爭取政策資源、鏈結學研技術能量、強化應用推廣等多元化方案共同促成。

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