『您的瀏覽器不支援JavaScript功能,若網頁功能無法正常使用時,請開啟瀏覽器JavaScript狀態』

跳到主要內容區塊

工業技術研究院

:::

工業技術與資訊月刊

出版日期:

正方形 Icon 創新之鑰 Innovation

邁向未來製造 擁抱生產力4.0

撰文/林裕洋 圖片提供/工研院、fotolia

德國推動的工業4.0是以虛擬實體系統整合為主,美國的先進製造夥伴關係(AMP)則強調資通訊加值服務,而臺灣推動的生產力4.0,則是結合上述兩個國家政策的優勢,推動全製造業的升級。

在人口老化與少子化的影響下,全球已開發國家包含歐洲、美國、日本、臺灣等,均面臨就業人數下滑的問題,也對國家生產力造成極大衝擊。為因應此一趨勢,各國無不積極推動數位製造、智慧製造等相關政策,以鞏固國家產業競爭力。簡單來說,即是希望引進智慧機械聯網、巨量資料分析工具等創新技術,讓產品設計、開發、生產製造、銷售等垂直與水平價值鏈等,具備自主感知、自主預測和自主配置能力,進而實踐訂製式量產與服務生產力,讓人力發揮最大價值。

為協助臺灣產業升級,工研院特別舉辦「臺灣邁向未來製造──生產力4.0的發展趨勢、機會與策略」研討會,邀請國內外產業及學研機構優秀專家擔任講師,冀望藉由宏觀且精準的概念闡述,配合關聯領域、技術趨勢、產業競爭力的發展,描繪出產業現況與發生中的變化,並藉此檢視臺灣產業在第四次工業革命中的機會與挑戰,尋找臺灣產業未來發展的機會。

工研院產業學院執行長羅達賢說,自德國政府喊出工業4.0的策略之後,便引起各國相繼效法、推動先進製造策略,如歐巴馬政府便力推美國製造,臺灣則極力推動生產力4.0計畫,希望能夠帶動全產業升級,維繫臺灣在國際上的競爭力。

提高競爭力 全球聚焦先進製造

美國經濟學家及紐約時報的專欄作家克魯曼(Paul Krugman)說,生產力不代表一切,但從長遠來看,生產力幾乎就是一切,因為一個國家改善人民生活水準的能力,幾乎完全取決於是否有能力提升勞工的平均產出,也就是從汽車、拉鏈等生活用品,勞工需要花多少時間來生產產品。尤其大多數國家都沒有豐富的礦藏或油源,無法藉自然資源致富,所以要打造富裕社會提升人民生活水準,唯一辦法便是建立泛用型科技。

工研院副院長張所鋐指出,現今全球製造業面臨的挑戰,大致上可以分成全球化、永續發展、人口變化、都市化、全球不穩定因素、產品生命周期加速、消費者行為改變、外部產業政策趨勢等等。舉例而言,在消費性電子產品生命周期從過去18個月縮短到現今只有六個月的狀況下,製造業勢必需要更快速的科技創新,更有效率的供應鏈、更短的產品研發週期,才能滿足市場客戶需求。

因應全球製造業所面臨的挑戰,傳統製造思維的標準化、大規模、成本導向生產模式,已經不符合世界潮流,在消費者主導時代下,製造業唯有走向個人化少量多樣的生產模式.才能在消費市場中生存下去。為求在競爭激烈的全球製造業中脫穎而出,全球製造技術已逐漸朝向數位化、虛擬化、網路化之智慧生產系統靠攏。

如美國政府便啟動先進製造夥伴關係積極引導製造業回流,希望以3D列印、巨量資訊製造系統、先進機器人等為核心,成為美國製造業未來模式。德國政府則以智慧工廠為精髓,發展德國工業4.0,也就是藉由整合通訊軟硬體,建制虛實合一的製造系統。至於日本則將先進機器人技術融入生產線之中,發展人機共存的未來工廠。

智慧化工廠 創造雙贏

過去臺灣產業界熟悉的自動化生產,是投資大量經費購買自動化設備,讓勞工的動作簡單化,而且無須思考,藉此增進生產效率,至於白領勞工的工作,則以設計管理自動化設備及流程為主。換句話說,自動化生產是將重複性動作變成生產常態,提高工廠的生產效率,達到節省人力、降低生產成本。

然而在自動化生產設備協助下,臺灣製造業的產品附加價值仍然僅有20%左右,遠遠比不上德國、美國與日本的30%~35%,而且臺灣製造業現今更面臨少子化的衝擊,勢必要借重智慧化技術協助,才能在勞動人口不足的狀況下,持續提高製造業的生產力。而臺灣推動的生產力4.0,即是希望協助產業從過去自動化升級到智慧化,使小量生產成本與大量生產相同,以符合現今消費市場的潮流。

張所鋐表示,自動化生產設備中的資料是預先輸入,智慧化生產過程中的資料,則是即時、可更新、可自我調整,能讓商品的生產更有彈性。而行政院推動智慧化生產的目的,即是要實現人性化的生產,使勞工以機械為其工具,而非成為機械的工具。尤其在智慧化生產環境中的勞工,因必須利用頭腦對即時資訊做必要之判斷.所以長年累積下來的經驗非常具有價值,也可望獲企業支付較高的工資。

此外,智慧化生產也可以實現分散式生產的理想,產業不必集中在一個地區,也不必因為上、下游需求而被迫外移。因為智慧化生產是利用物聯網實現資料取得和利用,各工廠之間的資料可以即時互通,企業經營者可以妥善調配不同地區的生產量,進而將生產成本趨於一致。如此一來,即可實現零庫存、零廢料、零當機、零瑕疵的目標,甚至做到可兼顧環境的綠色生產。

產業升級及經濟成長的重要動能

自2000年跨入全球化製造時代後,在先進製造業國家的從業人口不足,以及追求更低製造成本的思維下,全球製造業版圖已有急遽轉變。根據Rolan Berger策略顧問公司的調查報告發現,1991年時,商品在非先進製造國家生產的比例僅有21%,但是進入2011年之後,非先進國家製造比例已大幅攀升到40%以上,其中歐洲製造業萎縮最為嚴重,從原本36%大幅滑落至25%。

現今已進入產品多樣化及生命周期縮短的時代,根據麥肯錫研究報告指出,以汽車製造業為例,2000年各大車商能夠提供的車款並不多,如BMW當時只有12款車型可以選擇,不過到2011年已增加到22款,足足增加83%。車型選擇增加之後,反而導致每個產品的生命週期縮短,BMW新車款的生命周期從過去131個月縮短到106個月,因此如何依照消費者需求調整產能,也成為車廠非常頭痛的問題。

工研院機械與系統研究所所長胡竹生說,製造業是維繫經濟成長的重要動能,所以歐美日等等先進製造國家才會非常積極導入智慧製造。而目前導入智慧製造最成功的國家非德國莫屬,該國不僅基本工資極高、環保法規也非常嚴格,儘管面臨全球經濟危機,卻能持續打破本身製造出口紀錄。一般認為德國製造業具備極高的靈活性,才能提供具競爭力的交貨時間和高於平均水準的服務品質。

工研院產業機器人成果亮眼

無論是德國推動的工業4.0、日本的未來工廠,還是臺灣推動的生產力4.0,產業機器人都扮演著非常重要的關鍵,所以身為臺灣創新技術研發重鎮的工研院,很早便成立機器人自動化特色實驗室,全力投入產業機器人的研發與設計。目前實驗室研究方向分成兩大面向,在設計分析軟體方面,著重於手眼力協調技術,在系統可靠度測試規畫方面,則包含零組件及逐漸可靠度管制與測試、產業機器人可靠度測試,系統整合驗證等等。

面對生產力4.0時代來臨,臺灣需要新機器人性能評估技術與標準,如機器人虛實整合、人機共工、機器與機器協調運作等,並且針對各型設備與周邊感應器及機器人整合問題,利用法人機構運用網路介面讀取各家提供之相關感應器訊號資料的經驗,以開放式平臺技術發展相關標準介面系統,才能擴大產業機器人的效益與應用範圍。

如此一來,即能協助中小企業藉由產業機器人達成提升生產力的目標。另外,機器人與設備周邊標準化技術發展過程中,若能透過機器標準聯盟協助推動,可望在龍頭廠商帶動下,以聯誼會、專家團及場域示範輔導等方式,降低中小企業跨入生產力4.0的門檻。

胡竹生指出,在產業機器人標準推動策略方面,應該發展符合ISO10218-2安全規格及標準介面的新世代機器人與工具機技術及規範。另外,也可推動業界聯盟成立,結合業者力量積極參與兩岸及國際標準擬定及組織活動.以及與法人夥伴共同協助中小企業導入人機共工、協同及訊號整合的自動化技術,達到提升生產力效率的目的。

西門子瞄準工業4.0商機

備受全球關注的工業4.0,其背後是由多項創新科技所組成的先進製造概念,如巨量資料分析、自主性設備、虛擬製造、垂直與水平數位平臺整合、工業網路、網路安全、雲端科技、立體列印、擴增實境等,不同產業可依照需求自行搭配使用。此一先進概念,對現今製造業將帶來極大改變,能夠縮短新產品上市時間,克服創新週期縮短、產品更為複雜、資料龐大的挑戰。另外,亦能建構靈活性高的生產流程.推出大量的個人化產品、提高生產率,輕鬆面對市場不確定性高的問題。最後,也能提升企業營運效率,讓製造業在整體價值鏈中藉由全方位自動化機制,保持在國際的競爭力。

臺灣西門子公司總經理鄭智峰說,在工業4.0的風潮下,企業只需要使用西門子PLM、TIA軟體,即可建構虛實合一、無縫接軌智慧工廠,將產品設計、生產規劃、製程開發、生產製造、服務等,整合在單一平臺上。根據實際調查結果發現,藉由西門子解決方案的協助,至少可以減少30%以上的工程及試俥時間,對提升生產力有極大幫助。

全球朝製造服務業發展

在過去機械製造業的基礎下,臺灣工具機產業近年來在全球市場有不錯表現,2014年整體產值達到48億美元,整體出口值約為38億美元,排名全球第四,不過產品定位以中價位為主,出口至美國平均單價為新臺幣240萬元左右。受限於多數臺灣工具機業者規模不大,海外市場多半仰賴代理商協助,導致產品報酬率較低,也很難掌握客戶需求及使用狀況。面對全球製造業走向製造服務化的趨勢,勢必要調整企業結構。

根據英國劍橋大學的研究報告指出,全球製造業在2011年提供製造服務化的比例達到31.1%,相較於2009年的29.5%,正呈現微幅上升的趨勢,愈來愈多設備製造商從傳統硬體製造,走向提供專業服務包含顧問諮詢等等,藉此提高營收與獲利率。根據研究結果,全球製造業約有40%資深專業技術人員將在2020年前退休,未來服務型態將從現今駐點轉變為遠端服務。

工研院工具機科技中心主任陳來勝說,製造服務化項目包含系統和解決方案、設計研發、維護服務和資源、銷售和分銷等,即是透過提供附加價值服務的方式,提高工具機商品的售價。但是臺灣工具機廠商多屬中小企業,員工人數小於200人比例高達95%以上,在缺乏IT人才的狀況下,很難引進創新技術提升產品的加值應用,更遑論走向製造業服務化。

此外,考量到臺灣航空公司正積極耕耘亞洲飛機維修市場,對工具機需求也逐漸攀升,臺灣工具機產業若想要搶進高價位的航太、汽車產業等市場,能否提供製造業服務化、智能化加值應用等,將是決定成敗的重要關鍵。

工研院推工具機數位設計服務

在臺灣產業大力推動生產力4.0的趨勢下,工研院已有能力提供工具機數位設計服務,協助業者建構製造虛實整合平臺,也就是以軟體模擬方式降低設計與生產成本,達到提升產品效益的目標。舉例而言,傳統工具機設計流程大致上可以分成工程設計、組裝、加工測試、切削能力等階段,但切削能力往往到最後測試階段才知道,一旦發現切割效能不如預期,後續修正往往要花費許多成本與時間。

若改用目標導向進行設計流程的概念,則可在智慧製造虛擬整合平臺進行製程分析,再逐步進入虛擬工具機設計技術、工程設計、切削能力測試等階段,即可達成提高產品品質、降低生產成本的目標。根據工研院的統計結果發現,臺灣工具機業者藉由工具機數位設計服務協助,順利改善加工效率、刀具壽命及加工品質,大約可以提升40%的加工效率。

陳來勝表示,多數臺灣汽車零件製造者都得面對外國客戶逐年降低採購成本的要求,每年必須降低採購成本達3%~5%,長年下來不僅陷入獲利空間受到壓縮的困境,甚至可能將此成本轉嫁給臺灣工具機廠商。面對此一困境,臺灣鍛造圈製造業者,便在工研院輔導下導入切削運算模型平臺,最終順利提高30%的生產效率,光是單條生產線年產值便增加新臺幣二億元,預計未來整廠都導入之後,在提高商品附加價值,增加獲利空間的效益將會更為驚人。

研華科技建構智慧工廠

在全球化時代來臨之後,現今製造業布局大體已經走向美國研發、亞洲代工、全球販售的新型態,要如何妥善即時掌握三地資訊與資源調配,已成為製造業無法閃躲的挑戰。此外,人工成本、產品製造品質、產品生命周期和個性化等,亦是營運團隊必須正視的新挑戰。

多數專家都認為,要滿足新型態的企業營運需求,唯有利用物聯網架構實現工業4.0應用情境,所以研華科技很早就觀察到自動化產業將由早期個人電腦時代,進入到全面網路時代,由單機設備控制進入網路控制時代。因此在產品研發上朝技術創新與融合發展,進而實現以物聯網整合應用的智慧工廠。

研華科技副總經理黃瑞南指出,研華科技不僅在創新研發上做了許多努力,也透過舉辦物聯網夥伴聯盟高峰會,協助臺灣產業升級,並且主動將解決方案應用在研華科技的生產線中。現今無論是生產設備監控、警報系統,或者是設備保養管理導入系統等,均可在研華科技的雲端上面進行監控與檢視,讓管理人員或是營運團隊可即時掌握所有設備運作狀況,甚至依照訂單狀況快速調整生產流程。

美、日成立資源分享平臺 協助升級

經濟學大師麥可波特認為競爭力等於生產力,所謂競爭力就是將資源投入到最具生產力領域的能力,而國際競爭力比較的單位,通常是指特定產業,不是太廣泛的產業類別。在2015年舉辦的G20會議中,聚焦在提升生產力、競爭力與企業利益與創新力等議題上,被認為是GDP增加2%的重要關鍵。為達成上述目標,G20國家的政府策略,均以優化競爭力、創新力,高效能支援創新產業為主,並且冀望重新分配資金與勞動力到最具生產力的產業之中。

除了德國之外,美國與日本也積極推動製造業升級,因為兩國產業結構類似,中小企業涵蓋86%製造,雇用多達41%製造勞工,但卻因為受限於資金不足,引進創新與接受創新技術往往落後大企業。所以在兩國政府推動的進化策略中,均希望透過成立分享知識和實體設施的統一平臺,讓更多產業具備面對國際競爭的能力。

工研院知識經濟與競爭力研究中心首席研究員陳清文指出,中國大陸也積極推動中國製造2025,,因為中國大陸製造業大卻不強,首先是具有知識產權的產品少,多半以技術含量較低的加工組裝產業為主。其次,在研發、設計、工程承包、營業與售後服務缺乏國際競爭力,因此產業結構偏向中低端製造,技術密集型產業和生產型服務業比重較低,具有較強國際競爭力的大企業偏少,因此亟需透過政策帶動升級。

工研院觸覺模組 產業機器人升級

德國推動的工業4.0是以虛擬實體系統整合為主,美國的先進製造計畫則強調資通訊加值服務,而臺灣推動的生產力4.0,則是結合上述兩個國家政策的優勢,推動智慧製造的產業升級。智慧自動化機制強調可在複雜環境中建構彈性工序調度的特性,讓機器人做機器人合適的工作,如搬拿重物或是重複性高的工作。未來人力只需要負責變異性高且需要判斷的工作,便能在人機協同作業過程中達到最高的效率。

在工研院協助下,一般產業機器人只要套上工研院的觸覺模組,即可直接升級為安全型觸覺機器人,擁有安裝成本低、具國際市場競爭力的特性,是臺灣在推動生產力4.0的過程中,不可缺少的重要配件。

陳清文表示,製造業競爭已由成本、品質、交期,推展至最低採購數量與客制化服務滿意度。臺灣產業若不積極朝生產力4.0轉型努力,極可能改變現今在全球供應鏈中之角色與價值,甚至在下一波工業革命浪潮中被淘汰。部分臺灣產業與競爭者在成本與品質等之間的差異不大,但若能朝快速交貨、少量接單的方向發展,便可獲得較大的競爭優勢。

總而言之,工業4.0未來必然改變國際產業布局,重新分配價值與利潤.當國際大廠藉由通訊工具協助,進行製造設備連結與生產線優化,也將具備交貨速度更快、批量少也能接單的特性,臺灣業者若持續停滯不前,將會產生極大的危機。

生產力4.0 扭轉臺灣困境

無論是德國、美國或臺灣的產業升級概念,其核心均是利用物聯網的特性,藉由雲端平臺收集資料與分析,提供營運決策者最精準的資訊與分析結果。所以近幾年全球物聯網裝置成長的速度非常快,根據研究單位Gartner公布的調查報告指出,全球可連網裝置將從2009年的25億個,成長到2020年的260億個,帶來的經濟附加總值高達1.9兆美元。

儘管物聯網應用市場眾多且成長潛力極大,也能應用在各種不同的產業之中,但現今殺手級應用仍未出現,所以後續發展與應用方式都非常值得期待。像西門子位於德國Amberg的智慧工廠,透過高度整合的自動化系統,能從250家供應商提供的16億個零組件中,製造出950項不同的產品。

工研院專家王雲解釋,西門子德國Amberg廠是工業4.0概念的最佳案例,該工廠採取客戶下單生產的策略,並能在下單後24小時內完成,產品交付可靠度達到99%,同時品質亦能達到客戶要求。因此,儘管工廠位於高工資的德國,但生產成本卻與該公司位於中國南京的工廠差不多,西門子甚至預測20年後在人力成本不增加的狀況下,產能還可以再提高七倍,此種以智慧工廠為核心的競爭策略,值得臺灣製造業參考。
臺灣微軟副總經理葉怡君說,臺灣微軟能協助企業運用Azure物聯網套件,將各種聯網裝置蒐集的資料傳輸到微軟Azure雲端平臺上,透過機器學習、自動分析、預測,從大量資料中淘金,獲得商業智慧,創造創新及優化服務。

巨量資料 預先找出產線問題

就業人數不足、消費者行為改變,是現今製造業必須克服的外部因素,而多數業者內部亦有許多亟待克服的問題,如在商品製造過程中從原料到產出產品過程中,都會因為缺乏嚴謹管理平臺,無法預期的物料問題或設備故障,導致商品良率下降,不但會影響獲利,更影響客戶滿意度。特別是在半導體製程轉換越來越快的狀況下,若無法在短期間內轉換到新製程,恐怕無法持續在市場上保持獲利。

IBM首席顧問陳百川指出,儘管多數製造業都已建置產線監控平臺,但都無法預先找出原料、設備存在的潛在問題,非得等到生產流程被影響數天之後才能得知,更遑論知道問題發生的原因。而IBM以巨量資料工具建構的PMQ產品生命周期管理平臺,則能夠在設備或物料發生問題之前,預先告知管理者做好準備,確保生產線保有24小時運作不中斷的能力。

新鼎系統處長曹永誠表示,在考量整體營運成本的狀況下,臺灣企業要斥資大筆經費打造新一代的智慧工廠難度很高,但若能在工廠機臺上,透過外掛設備方式取得各種資訊,再利用巨量資料工具收集與分析機臺數據,便能持續強化生產線效率,達成工廠智慧化目標。

面對先進製造國家積極推動製造業升級計畫,羅達賢認為,臺灣生產力4.0計畫的適用範圍更廣,不僅適用於製造業領域,亦能帶動其他產業同步升級,產、官、學界若能更緊密配合,將可讓臺灣突破經濟困境,持續保有國際上的競爭力。

工研院舉辦「臺灣邁向未來製造──生產力4.0的發展趨勢、機會與策略」研討會,邀請國內外產業及學研機構優秀專家擔任講師,帶領學員檢視臺灣產業在第四次工業革命中的機會與挑戰。
工研院舉辦「臺灣邁向未來製造──生產力4.0的發展趨勢、機會與策略」研討會,邀請國內外產業及學研機構優秀專家擔任講師,帶領學員檢視臺灣產業在第四次工業革命中的機會與挑戰。

工研院研發出會揀選鳳梨酥內餡的機器人,可精準剔除熱燙、黏稠原料中燒焦的纖維、種子等物質。
工研院研發出會揀選鳳梨酥內餡的機器人,可精準剔除熱燙、黏稠原料中燒焦的纖維、種子等物質。

邁向生產力4.0的智慧製造,工研院安全型觸覺機器人表面布滿數千顆感測器,讓人機操作安全大幅提升。
邁向生產力4.0的智慧製造,工研院安全型觸覺機器人表面布滿數千顆感測器,讓人機操作安全大幅提升。

下載全文PDF Icon下載全文PDF


[{"text":"企業網","weight":13.0},{"text":"材化所","weight":11.5},{"text":"機械所","weight":10.0},{"text":"綠能所","weight":9.4},{"text":"生醫所","weight":8.0},{"text":"半導體","weight":6.2},{"text":"南分院","weight":5.0},{"text":"太陽能","weight":5.0},{"text":"課程","weight":5.0},{"text":"遠紅外線","weight":5.0},{"text":"雷射","weight":4.0},{"text":"LED","weight":4.0},{"text":"LED可見光","weight":3.0},{"text":"5G","weight":3.0},{"text":"工研人","weight":3.0},{"text":"電光所","weight":3.0},{"text":"綠能與環境研究所","weight":3.0},{"text":"機械","weight":3.0},{"text":"資通所","weight":2.0},{"text":"面板","weight":2.0},{"text":"文字轉語音","weight":2.0},{"text":"實習","weight":2.0},{"text":"無人機","weight":2.0},{"text":"生醫","weight":2.0},{"text":"3D","weight":2.0},{"text":"v2x","weight":2.0},{"text":"員工","weight":2.0},{"text":"地圖","weight":2.0},{"text":"太陽光電","weight":2.0},{"text":"材料與化工研究所","weight":1.0}]