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基于物聯網技術的智能工廠時代已經到來

未知 2019-10-14 15:13

  近幾年來,只要是從事制造生產業務的企業,都曾聽聞某大電子制造業龍頭,誓言部署百萬機器人大軍,終至發展出可關燈生產的無人工廠,隨著此一效應推波助瀾,已迫使由來許久的自動化工控年代,處于即將邁向智能化工控年代的轉折點。

  論及智能工廠,暫且撇開其各方對于此一名詞定義之詮釋,是否有所不同,事實上,臺灣絕大多數的制造業者,不僅都具備智能工廠的雛型,而且存續至今的時程,其實相當久遠。

  許多工廠,即使被歸類在傳統產業,其實早在10年、甚至20年之前,就開始導入自動化,普遍常見的景況是,在前端引進PLC集成控制設備、傳感器等裝置,后端則布建了具備資料搜集功能的計算機,再運用諸如模糊算法(FuzzyControl)等實時控制方式,借以追求工廠運行之最適化。

  透過此類模式,有助于將原本單工型態的作業環境,藉由中斷分時方式,模擬成為多工環境,藉此達到效能提升的效果,某種程度上,要將之稱為臺灣智能工廠的先驅,其實并未言過其實。

  只不過,若僅借助自動化,多半可使工業制造流程滿足效率層面的需求,但假使業者欲隨時因應市場需求,亟盼能彈性調整產能、促進空間有效利用,并有效降低生產成本,種種愿景,實已進入智能層面的格局,并無法單純倚靠自動化技術來加以實現。在此前提下,如何運用有效的智能化手段,繼而管理自動化設備,已然成為制造企業不容回避的重大課題,值此盤旋待變的時刻,物聯網(TheInternetofThings;IoT)技術即顯得相當重要。

  究竟一個植基于物聯網技術的智能工廠,大抵呈現何等樣貌?首先,在智能工廠環境內部,通常會有一套名為資料采集與監控系統(SCADA)的系統,旨在作為監控及控制所有設備的集中式控制臺,假使沒有此系統,就會有一群分散在特定區域,并許多系統組合而成的分散式控制系統(DCS)。

  在此之中,絕大部分的前端控制,系由遠程終端控制系統(RTU)或PLC負責進行,主系統一般僅肩負系統監控層級的控制任務。舉例來說,針對空調系統,即由PLC負責控制主機及冷卻水塔的容量與流量,至于SCADA系統,則提供一個可供變更設定的操作機制,俾使操作員改變容量或流量的目標值,一旦將需要告警的條件設定妥善,日后萬一出現水位偏低、流量不足乃至于溫度過高等情況,PLC或RTU就會運用回授控制的方式,借以控制流量或溫度,與此同時,SCADA仍將全程監控系統的整體效能。

  實現智能感測的必備技術

  總括而論,要想建立一個智能工廠情境,先決條件即是讓制造流程具備智能判斷的能力,而此一能量的來源,基本上來自于儀器、儀表、傳感器等控制系統,這些都是不可或缺的基礎構成要素。綜觀近幾年來儀器、儀表的智能化發展,主要是以微處理器及人工智能技術為發展主軸,主要是藉由神經網絡、遺傳算法、進化計算、混沌控制等智能技術,為儀器與儀表增添了高速、高效、多功能、高機動性、高靈活度等特質。

  比方說專家控制系統(ECS),即是一種融合大量專門知識與經驗的程序化系統,其透過人工智能與計算機運算技術,足以根據某領域一或多個專家所提供的知識與經驗,從而進行推理判斷,并模擬人類專家的決策過程,以便能解決一些原本需要專家介入的棘手難題。

  至于模糊控制器(FC-FuzzyController),也是智能工廠相關技術當中,另一個值得矚目的焦點。模糊控制技術具有處理不確定性、不精確性及模糊信息的實力,意即面對無法建造數學模型的被控過程,往往可適時提供有效控制,解決一些常規控制所鞭長莫及的難題,緣于此故,就工業控制領域而論,模糊控制確實逐漸獲得廣泛采用。

  當然,IoT蘊含了感測、傳輸及應用等三個層次,因此意欲實現智能工廠應用,除了建構智能感測機能外,另外也須留意兩個重要趨勢,一是控制系統的網絡化,另一則是工業通信的無線化。首先在于控制系統網絡化部分,不可諱言,伴隨工廠制造流程所連結的嵌入式設備愈來愈多,以致于最佳的因應之道,就成為透過云端架構來部署控制系統,但值得注意的是,肇因于影像與語音等挾帶較大資料量的訊號不斷增加,對于傳輸效率、網絡帶寬的要求,在在都是嚴苛考驗,只因生產流程容錯空間甚小,任何經由網絡傳遞的封包信息,實不容許絲毫閃失,在此情況下,哪里些資料理應優先傳送(譬如設備故障訊息),哪里些資料可容后傳送(譬如電子郵件),勢必都得取決控制系統的智能判斷能力。

  有關工業通信無線化,亦是近幾年來智能工廠領域之中的熱門話題,其之所以備受關注與討論,乃在于無線技術在部署的便利性上,明顯較過往有線技術占有優勢,然值得一提的,不管是藍牙、Wi-Fi、GPS、LTE或WiMAX等無線通信標準,無論在于可靠性、確定性、實時性甚或兼容性等方面,其實都還有進步的空間,因此綜觀現今以智能功能為訴求的儀器、儀表或其它自動化設備,在內嵌無線傳輸功能之余,仍無法全然切斷其與有線網絡技術的臍帶。

  憑借智能感測既興利也可除弊

  無論如何,不管透過何種技術建立智能工廠,終極目的皆在于獲得效益,否則臺灣制造業屹立國際舞臺已非一天兩天之前,過去停留在自動化階段,就已能虎虎生風,何必為了智能化而多此一舉。

  事實上,一些開始導入智能感測技術的制造業者,已明顯感受到前所未見的好處。例如某家以生產民生用品為主的制造商,即透過布建于生產線前端的傳感器,得以精準掌握其所生產的每一項商品,究竟耗用了多少電、水或糖等資源,從而精準估算各項商品的真實成本,終至反應到訂價策略,在成本與利潤之間找到最佳平衡點,也帶動了營運績效的上揚。

  值得一提的,該公司在精確獲悉資源消耗情況之余,也順勢掌握了二氧化碳的排放信息,因而針對政府日后可能施行的碳盤查制度預作準備,對于企業形象,亦具有加分效果。

  另一制造業者,當初導入智能感測技術的初衷,只是為了節約用電成本,然而在運用過程中,其高層主管透過歷史數據的分析比對,發現旗下某廠區的一組生產機臺,近期耗電量異常飆高,但當時并非生產旺季,機臺運轉時間并未較平時增加,尤其到了周休二日,高能耗情況仍舊有增無減,種種跡象,顯示該機臺已呈現不合常理的狀態。

  于是乎,這名主管合理懷疑這臺設備已經出現故障,才會產生異常耗電現象,接著迅速接洽供應商,請其指派工程師到場檢修,結果證實該設備的確有失靈現象,若不盡速加以修復,未來兩個月內隨時可能停擺,進而對生產作業釀成嚴重沖擊,后果不堪設想,所幸在緊急修復后,一切回歸正常,及時遏止一場災難。

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