CPS於智慧製造之應用探索
資訊電子產業
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發布日期:2016/03/30

CPS輔助達成工廠智慧化管理能力

CPS(Cyber-Physical Systems, 網宇實體系統)一開始是由美國國家科學基金會 (NSF)於2006年所提出,於2011年被德國所提出的工業4.0發揚光大。CPS的發展主要是期許讓「實體」利用「網路」得以讓不同「系統」之間可以有效進行溝通和協調,在充份運用了「計算」、「控制」、和「通訊」技術後,將虛擬世界和實體環境兩者之間的距離縮短,然後可以快速反應環境所需、忠實表達現實環境發生的各種資訊,進而達到讓系統及設備得以自主最佳化(Self-optimization)、自主布建(Self-Configuration)、自主組織(Self-organized)、自主比較(Self-compare)、自主預測(Self-predict)、自主維運(Self-maintain)、自主察覺(Self-aware)等許多自主功能。

CPS在認知上可定義為一種類似ERP的複合性整體解決方案。過去企業藉由ERP系統從財會、銷售等角度進行公司整體流程再造,進而改善公司治理的方式。如今,工廠也面臨各種不同環境上的競爭與需求,期許CPS來利用不同軟硬體設備進行虛實資訊的整合,使工廠具有智慧化的管理能力,進而加強工廠效率,改善工廠在製程、設計以及現場環境等問題。

CPS運用於智慧製造中時,主要可涵蓋在設計階段 (Design Process) 到產品製造實踐階段 (Realization Process)間,利用從實體所收集到的精密資料,再藉由軟體運算能力及輔助決策能力即時對實體生產環境做出反應,讓每一個環節的實體和虛擬資訊緊密結合。

CPS運用於智慧工廠中,可將製造流程分為六項工作環節,分別為「產品製造實踐階段」 (Realization Process)的「精密生產」、「機械控制」、「生產監控」、「生產管理」的四項環節,以及「設計階段」 (Design Process)的「產品發想設計」和「產線模擬」的兩個環節:

  • 「精密生產」:在本環節中主要包括各種偵測生產現場的感測器裝置,或是像是各種馬達、致動器和機械手臂等。
  • 「機械控制」:主要包涵PLC/CNC、DCS等可程式化的數位控制和整合設備。
  • 「生產監控」:利用SCADA /HMI等軟體將工廠環境和設備資訊進行匯集,以利工廠人員得及利用SCADA/HMI系統針對工廠設備及製造流程做出即時性的反應。
  • 「生產管理」:在生產管理環節中,藉由MES來對工作單據、原物料管理和產品品質管理等生產內容上的排程及維運上進行管理。
  • 「產品發想設計」:主要包涵CAD/ CAE等電腦輔助設計及工程的軟體,其中需配合PDM和物理模擬軟體進行產品設計相關測試。
  • 「產線模擬」:針對將來產品如何在產線上生產進行模擬,避免實際部署產線時可能造成的產程或是公安上的風險。

CPS在製造環節中仍需克服諸多瓶頸

當導入CPS於工廠製造流程時,事實上仍有許多瓶頸需克服。首先,在製造現場中,為使現場製程的情況得以即時收集,對於不同工具機、機器手臂及其他製造機具則必須加上不同的感測元件,才得以讓現場即有設備的實體資訊得以和虛擬資訊系統兩相結合。但由於在舊有設備未必具有感測器裝置,所以在導入CPS時則需要選擇合適的感測器廠商來進行額外加裝的動作,又或者是在將來新進設備時,把機台上的感測器的數量及精確能力列入將來設備採購的考量的項目。

再者,由於原本工廠網路環境可能已存在許多不同的網路協定,如:Modbus-TCP、PROFINET、EtherNet/IP等,對於如何將這些不同的協定進行異質網路和設備進行聯結,亦仍待解決。目前在網路通訊協定上,由於開放性工業網路協定的聯盟已成形,如:OIC (Open Interconnect Consortium)或IIC (Industrial Internet Consortium)等,大廠過去獨佔標準協定優勢逐漸減少,工廠在選擇新網通設備時,應選擇更符合預算及優質的設備。

過去因資源有限,經常只重視生產設備,而不重視資訊系統,但目前相關觀念亦已逐漸改變。當工廠進行資訊系統導入時,除非MES和SCADA為整合的套裝系統,否則應釐清所導入者為管理製程數據的MES,還是監控現場設備和環境的SCADA;此外,由於一般工廠皆以封閉性系統環境為主,對於愈來愈複雜的產線流程,在工廠導入資訊系統時,其客製化需求程度往往會比起有標準流程的ERP系統來得高;故在這樣的情況下,對於導入時程及相關人力和預算,就應提前設想。

另外,為達到智慧且自動化的智慧工廠之能力,需導入巨量資料分析技術。不過工廠製造端的巨量資料分析往往比起行銷、銷售等管理議題的資料品質要求更高,並且在分析的邏輯性、物理性所需要的專業知識更為深厚,因此公司在導入巨量資料分析來影響工廠流程時,將面臨如何讓擁有製造領域知識的管理者和巨量資料的資料分析專家彼此互相支援,以產生巨量資料的綜效。

當智慧製造欲利用CAD、CAE或CAM進行產品輔助設計及產線模擬時,期許透過過去生產及設計經驗的歷史資料庫能在第一時間協助設計人員,利用不同分析技術所累積的知識,告知設計人員像是不同製程及材料上合適性問題、或是設備可能的磨損率等智能反應。不過,當在期望軟體具有這樣的能力時,表示公司應能夠對所屬的工廠資訊具有一定程度的資訊收集,才能利用軟體對整體性的產品設計和產線規劃做出和真實情況產出一致性的規劃,否則容易出現買了系統,並無法真實及貼近未來實體製程運作的情況發生。

整體解決方案需要整體思維、整體配套

有鑑於CPS仍為一種複合性的整體解決方案,要在工廠把CPS做的完善,所影響的層面及牽涉的角色就相當多而且複雜。甚至,在真正導入CPS時,會因為引進新設備或是新製程管理方式,為工廠帶來新一波的組織變革。

因此,在不同製造業種的環境中,當業主規劃導入CPS時,其策略也會因資金、業種屬性、製造技術和創造的效益等考量而做出不同策略選擇。例如:有些工廠在沒有舊設備的包袱下,就可能直接以全面性導入的方式進行。但若工廠在現有廠房及資金限制下,就需採取漸進融合、分階段的方式,以部分流程進行虛實整合來做規劃。當業主決定執行CPS計畫時,應有長時間投入的準備,並對在人事、教育訓練、高層主管支持等,需清楚做出整體規劃,以配套的方式進行CPS的導入;然後逐步的將工廠虛擬和實際之間的距離縮短,讓工廠具有各種自主化能力後,方能因應將來市場變量變樣的需求,比競爭對手更能具備經營彈性、提前搶得市場先機。

關鍵字: 網宇實體系統 ; CPS ; 智慧製造 ; 工業4.0 ; 生產力4.0