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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

297期2016年07月號

出版日期:2016/07/15

正方形 Icon 產業焦點 Focus

以網宇實體系統為基礎 實現智慧製造產業的發展

撰文/工研院產業經濟與趨勢研究中心(IEK)機械與系統研究組經理熊治民 圖片來源/法新社

經由CPS發展與示範平台的驗證,可形成不同的解決方案,確實將技術研發落實在業界的應用與擴散上。進而逐漸形成、擴大臺灣CPS解決方案供應鏈體系,加速智慧製造產業的發展與成長。

在先進國家中,製造業不只是產業結構裡的關鍵角色,也深深影響社會經濟的發展;因此製造業的提升,往往被視為帶動經濟成長的重要策略及動力。而當前全球製造業的發展趨勢與方向,就是「智慧製造」(Smart Manufacturing),包括美國的先進製造夥伴(Advanced Manufacturing Partnership; AMP)政策、德國的工業4.0(Industry 4.0)政策,已有許多國家投入製造業的革新,我國在 2015 年也提出智慧機械相關政策來推動製造業的智慧化。

在實務應用上,由於每家企業的營運策略和方式、擁有及應用的資源等都不同,因此也需要透過不同的解決方案來實現智慧製造。而在各種智慧製造應用方案中,透過「網宇實體系統」(Cyber-Physical System; CPS,或稱為虛實整合系統、虛實合一製造系統、智慧感控系統)發展及導入,是美國 AMP、工業 4.0等政策推動的重點。

以CPS為基礎建構的製造系統也稱為網宇實體製造系統(CPPS)。組成CPPS中的主要元素包括:感測器、資訊處理模組、致動器、人機介面。在運作時,各種製造系統內的資訊會在這些組成元素中形成迴路。CPPS與目前一般自動控制製造系統不同的地方在於:CPPS中的資訊處理模組一方面會與數位製造(例如CAD/CAM/CAE等)、產品生命周期管理系統(PLM)、製造執行系統(MES)或企業資源規劃系統(ERP)等數位資訊連結,以取得設備、工件、產品、製程、人員等相關設計與製造資訊;另一方面,則會透過感測器擷取製造系統與環境、人員的即時資料,然後結合這兩種資料,以各種資料運算與處理程序(例如控制程序、演算法、巨量資料分析)來形成控制命令,再透過致動器來影響實體設備、環境。因此CPPS具有適應性、強韌性與可容錯、能基於預測產生決策及友善於使用者等特性。

在智慧製造應用上,CPPS組成架構包括:一、以資料、模型、演算法及各種應用軟體所組成的網宇空間;例如工程知識庫,電腦輔助設計/分析/製造/模擬軟體,資料擷取系統、製造執行系統、產品生命周期管理系統、企業資源規劃系統,以及視覺化人機介面系統與網宇安全管理系統。二、由製程設備、能源供應系統及其他實體設備組成的實體空間;例如CNC工具機與專用機,智慧機器人與自動化周邊,能源供應系統,環境感知與控制系統等。而這些實體系統內又會內含感測器與致動器。三、將實體與網宇空間相連結的網路系統;包括有線、無線及區域、廣域網路,各種資訊伺服器與資料控制系統,以及由電腦、行動裝置、穿戴式裝置所組成的人機介面。四、CPPS能透過網路與企業其他CPS,以及上游供應商、下游客戶的CPS連結,或是透過雲端系統取得分散式運算、巨量資料分析等雲端服務。

CPS方案與物聯網需相配合

對臺灣的製造業來說,能夠促進競爭力提升的CPS應用需求,包括降低整體製造成本、縮短產品開發與製造時程、提高產品品質、滿足多元化生產需求、提高產品及服務價值。為滿足這些需求,需要設備運作監控和預測保養、數位設計與模擬、智慧化生產設備與流程、智慧化產品、智慧化工具與資產管理系統、智慧化品管工具與系統、智慧化人機介面、智慧化工作站、能源管理系統、模組化與隨插即用設定等CPS的應用方案。而這些CPS方案也可能需要與物聯網及巨量資料應用相配合。

不過與國際發展狀況相比,目前國內在絕大多數CPS應用方案的技術發展與業界擴散上,都還需要持續努力。在製造領域CPS的應用方案發展策略上,建議由三個方向來推動:一、將既有的元件與系統,轉為應用在CPS方案中;例如將倉儲物流業所使用的RFID技術,用在智慧化的產品與製程,甚至還可結合物聯網、提高應用效果。

二、採用既有元件,但是以創新整合的方式,開發新的CPS應用方案;例如在原本機台設備上加裝感測器、資料傳輸網路、資料轉換分析軟體等,使得設備具有運作監控及預知保養等新功能。三、對於需要新技術、新元件與系統整合才能實現的CPS應用方案,要針對產業應用需求及市場狀況,並結合政府資源和產研投入來開發。例如智慧化的工具與資產管理系統、模組化設備及隨插即用設定等。

在產業需求導向下,透過各種CPS的技術研發,不僅能夠促成更多產學研的合作,而且經由CPS發展與示範平台的驗證,還可形成不同的解決方案,確實將技術研發落實在業界的應用與擴散上。

另一方面,發展臺灣焦點產業所需的CPS也是促進智慧製造產業展的重要策略。例如臺灣具有優勢的精密零組件製造業,可以結合精密機械設備與智慧自動化等相關產業,發展製造領域CPS的應用典範,並形成CPS系統與應用服務體系;然後再持續往其他產業應用進行水平擴散。透過CPS應用方案發展與在各產業中擴散,就能逐漸形成、擴大臺灣CPS解決方案供應鏈體系。有了具規模的供應鏈,不只能夠支持各項產業建構及運用CPS,並且能夠引導產業建立新的產品與服務市場,培育新創企業、擴大產業規模,進而加速智慧製造產業的發展與成長。

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