PLC串起物聯(lián)網(wǎng)智能制造

受到老齡與少子化造成的缺工現象及covid-19疫情交叉影響，近期制造業(yè)在營(yíng)運上常受到外在環(huán)境快速變化的考驗，不僅造成供應鏈瓶頸，上游設備及零組件供貨商也難以應對生產(chǎn)現場(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)交機、調校和維運作業(yè)。卻也有PLC可支持邊緣運算，串起工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)OT+IT信息，提供AI、Digitaltwins所需數據，協(xié)助業(yè)者從智能工廠(chǎng)逐步進(jìn)階智能制造。

現今一般所稱(chēng)「智能工廠(chǎng)」的管理模式，系指透過(guò)搜集并解析生產(chǎn)過(guò)程中的數據，如：生產(chǎn)排程、機臺稼動(dòng)率等，藉此發(fā)掘生產(chǎn)所面臨的瓶頸，克服過(guò)去難以量化的痛點(diǎn)。讓管理者可據此排定解決問(wèn)題的優(yōu)先級并快速決策，減少生產(chǎn)現場(chǎng)的浪費；進(jìn)而善用有限資源來(lái)提高效能、降低成本，由于此模式相對簡(jiǎn)單且效果顯著(zhù)易見(jiàn)，對于傳產(chǎn)中小企業(yè)導入門(mén)坎較低。

反觀(guān)「智能制造」，則是硬件與軟件的配合，必須預先衡量客戶(hù)端整體的生產(chǎn)狀態(tài)，生產(chǎn)團隊也需要具備更高的管理能量和專(zhuān)業(yè)知識。才能透過(guò)傳感器、PLC來(lái)搜集生產(chǎn)數據，了解生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量變化，使得機臺與接口設備、零配件皆可自行感知、調控，以維持質(zhì)量的一致性，所以發(fā)展瓶頸相對較深，仍有賴(lài)學(xué)研機構與相關(guān)廠(chǎng)商積極投入研究。


 
圖1 : 在這波數字浪潮下，業(yè)者該如何活用IT數字化工具及管理能力，來(lái)處理現場(chǎng)大量FA數據、降低營(yíng)運風(fēng)險也備受重視。（source：cic.es）

所幸因為這波疫情加速生產(chǎn)現場(chǎng)的數字轉型（Digital Transformation；DX）需求增加，如何進(jìn)一步活用IT數字化工具及OT管理能力，來(lái)處理生產(chǎn)現場(chǎng)工廠(chǎng)自動(dòng)化（FA）的大量數據；進(jìn)而加強企業(yè)彈性應變，降低營(yíng)運風(fēng)險成效也備受重視。

三菱導入e-F@ctory架構　凸顯邊緣運算價(jià)值
由攝陽(yáng)企業(yè)引進(jìn)的日系品牌三菱電機（Mitsubishi Electric）的FA系列產(chǎn)品，近期也積極推動(dòng)以e@Factory概念為核心的智能制造解決方案，順應這波數字轉型（DX）浪潮的背景，主要源自于社會(huì )和商業(yè)環(huán)境快速變化，必須為可永續發(fā)展的社會(huì )貢獻，創(chuàng )建目標來(lái)平衡工作滿(mǎn)意度和經(jīng)濟發(fā)展。
隨之推廣的DX策略，也有別于傳統歐美國家沿用上層IT數字模式來(lái)改善生產(chǎn)現場(chǎng)，而是基于活用生產(chǎn)現場(chǎng)的FA專(zhuān)業(yè)知識及OT信息，再導入IT技術(shù)力求達目標策略。三菱強調：「重點(diǎn)是只能由制造業(yè)利用其專(zhuān)有技術(shù)能力，實(shí)現于生產(chǎn)現場(chǎng)DX，而不是由數字化技術(shù)領(lǐng)導，才能真正在全球競爭中脫穎而出?！?br/>同因應生產(chǎn)現場(chǎng)會(huì )不斷產(chǎn)出大量信息，難以實(shí)時(shí)上傳，三菱在2003年公布的e-F@ctory架構，便率先整合生產(chǎn)現場(chǎng)FA、Edge IT邊際運算技術(shù)，利用底層傳感器、MELSEC系列PLC和新一代工業(yè)用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)CC-Link IE TSN的高速、高效特性，與不同伙伴合作。
借著(zhù)通過(guò)單一干線(xiàn)連接、搜集和分析處理，可控制所有不同網(wǎng)絡(luò )的生產(chǎn)現場(chǎng)數據及信息，從而形成有意義的數據數據，上傳到控制層的整合控制及感測、AOI設備、機器人，將大幅節省人力；甚至是IT層的SCM/ERP系統來(lái)管理供應鏈，一旦經(jīng)蜂鳴器示警并中斷生產(chǎn)后，還可據以分析和改善現場(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現基于Edge的整體制造（monozukuri）優(yōu)化解決方案。


 
圖2 : 三菱在2003年公布的e-F@ctory架構，便率先整合生產(chǎn)現場(chǎng)FA、Edge IT邊際運算技術(shù)，與不同伙伴合作。（source：tw.mitsubishielectric.com）

數字分身加值　催生節能智能工廠(chǎng)
目前三菱在名古屋新建廠(chǎng)房便透過(guò)PLC搜集生產(chǎn)、營(yíng)運、質(zhì)量等信息可視化，加以分析和改善后執行邊際運算，管理設備操作，并進(jìn)行排程及有效應用后，促進(jìn)生產(chǎn)設備和建筑設備之間合作來(lái)優(yōu)化工廠(chǎng)，追求生產(chǎn)設備高效運行與生產(chǎn)系統協(xié)作，以避免來(lái)料或生產(chǎn)過(guò)程中止，減少產(chǎn)品質(zhì)量損失。進(jìn)而上傳服務(wù)器，再經(jīng)過(guò)營(yíng)運管理監控機制與外部供貨商生產(chǎn)管理監控系統聯(lián)網(wǎng)協(xié)作，分別依生產(chǎn)進(jìn)度及需求接受產(chǎn)品訂單備料、或者自動(dòng)訂購零件不足的訂單。
且因為是新成立廠(chǎng)房，所以必須兼顧ISO-14067節能等級，從而利用PLC擔任主站（Master），與周邊空調、熱源及室外機、通風(fēng)設備等副站（Salve）溝通，監控實(shí)際生產(chǎn)運行狀態(tài)；再加入變頻器、智慧電表和傳感器等，上傳數據進(jìn)入SCADA執行可視化分析與改善，減少交流電源及通風(fēng)設備能量損耗。
惟若業(yè)者有必要規劃智慧工廠(chǎng)時(shí)，最常要面臨的兩大問(wèn)題，包括：一、縮短設計時(shí)間，以防重復設置類(lèi)似的數據，一旦須要改變控制程序時(shí)，仍須耗時(shí)來(lái)輸入設定；二、現場(chǎng)調整時(shí)間短，當設備啟動(dòng)后，仍須耗時(shí)來(lái)解決設備之間的干擾問(wèn)題，即使利用3D仿真器驗證、CAD和工程工具之間協(xié)作建立數字分身，也需要一具實(shí)體控制器。
最新由三菱研發(fā)，即將上市的3D仿真器軟件「MELSOFT Gemini」，則強調可協(xié)助客戶(hù)在生產(chǎn)設備導入或啟用前，就能透過(guò)3D模擬技術(shù)，提升產(chǎn)能與質(zhì)量。經(jīng)過(guò)鏈接MELSOFT iQ Works軟件之一的MELSOFT Simulator，得以3D模擬建構及驗證生產(chǎn)設備上的可程控器PLC、運動(dòng)控制器等動(dòng)作及產(chǎn)線(xiàn)現況，簡(jiǎn)單實(shí)現機上驗證。進(jìn)而加速并簡(jiǎn)化顧客導入實(shí)體設備前，從設計、制造到生產(chǎn)現場(chǎng)運用、維護等開(kāi)發(fā)工作流程優(yōu)化，不僅減少生產(chǎn)時(shí)的碳排放量，更能縮短工時(shí)、提升產(chǎn)品質(zhì)量。


 
圖3 : 三菱即將上市的3D仿真器軟件「MELSOFT Gemini」，則強調可協(xié)助客戶(hù)在生產(chǎn)設備導入或啟用前，就能透過(guò)3D模擬、建構及驗證生產(chǎn)設備上的PLC、運動(dòng)控制器等動(dòng)和產(chǎn)線(xiàn)現況。（source：mitsubishielectric）

一旦導入設備發(fā)生異常后，該「驗證功能」即透過(guò)可程控器程序或波形來(lái)分析異常原因，并以影像確認動(dòng)作，毋須再透過(guò)OPC服務(wù)器，就能連接MELSOFT Simulator和其他設備，縮短通訊所需時(shí)間，將3D 數據更新頻率提升12倍，得以提高設備的動(dòng)作干涉檢查精度，將有助于減少重工、提升生產(chǎn)質(zhì)量。
此外，MELSOFT Gemini還能經(jīng)由統計設備的運轉狀態(tài)、作業(yè)員的作業(yè)時(shí)間與待機時(shí)間等數據，以及其中內建約2,500種多樣機械零件圖形（e- Catalog），于3D畫(huà)面上拖放圖形及設定參數，繪制成多樣圖表，簡(jiǎn)單建構產(chǎn)線(xiàn)的布線(xiàn)設計。再經(jīng)由可視化圖表及統計功能，實(shí)現全方位的分析，辨別產(chǎn)品良率及設備運轉率的變化，確認生產(chǎn)設備動(dòng)作異常的數據數據，讓現場(chǎng)作業(yè)人員能夠迅速查明異常原因，使產(chǎn)線(xiàn)設計及改善更有效率，未來(lái)三菱也將活用數字技術(shù)，致力延續顧客事業(yè)的生命周期。

臺達平臺整合硬軟件　融合OT+IT信息
臺灣工業(yè)自動(dòng)化大廠(chǎng)臺達電子公司（Delta）近期也陸續發(fā)表其智能制造落地實(shí)績(jì)，包括云端服務(wù)、生產(chǎn)節能、自動(dòng)化設備等智能制造應用，為客戶(hù)提供高質(zhì)量與可靠度產(chǎn)品、解決方案，包括利用變頻器、伺服馬達、PLC、傳感器與機器人等完整工控產(chǎn)品布局優(yōu)勢。
同時(shí)結合洞悉市場(chǎng)及發(fā)揮自身產(chǎn)線(xiàn)智能升級所累積的豐碩經(jīng)驗，由下至上貫穿OT層系統設備、邊緣層（控制/通訊）與IT層（制造管理及數據分析），依序整合自主開(kāi)發(fā)的智能產(chǎn)品、規劃智能產(chǎn)線(xiàn)與智能工廠(chǎng)；透過(guò)設備自動(dòng)整合控制、制造生產(chǎn)管理等平臺和戰情中心、廠(chǎng)務(wù)能源監控系統，由點(diǎn)、線(xiàn)、面整合多套自動(dòng)化系統，具備「立體維度」的智能制造解決方案。
由于現今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)勢必要有效融合OT+IT信息，其中在OT端著(zhù)重信息實(shí)時(shí)性，包含事故告警、狀態(tài)監測、診斷干涉等，以便讓操作人員提前維護或排除故障；同時(shí)鏈接于IT端執行質(zhì)量管理、物流、下單交易等信息，找出優(yōu)化平臺整合信息，促使供應鏈實(shí)時(shí)因應，落實(shí)智能制造。
臺達近期發(fā)表的電子制造業(yè)智能工廠(chǎng)解決方案，便采用自主開(kāi)發(fā)的智能設備與智能產(chǎn)線(xiàn)設計，導入DIAAuto設備自動(dòng)化整合控制、DIAWorks生產(chǎn)制造管理平臺，以及生產(chǎn)監控戰情中心與智能廠(chǎng)務(wù)監控系統，透過(guò)實(shí)時(shí)收集生產(chǎn)信息，在生產(chǎn)、質(zhì)量、設備與倉儲等面向完善人、機、料、法、環(huán)、測的管理。


 
圖4 : 臺達近期發(fā)表的電子制造業(yè)智能工廠(chǎng)解決方案，便透過(guò)在自家生產(chǎn)場(chǎng)域驗證與累積成功經(jīng)驗，打造標準化相關(guān)軟件平臺，并結合底層智能設備、PLC擷取生產(chǎn)數據。（攝影：陳念舜）

透過(guò)在自家生產(chǎn)場(chǎng)域驗證與累積成功經(jīng)驗，打造標準化相關(guān)軟件平臺，并結合底層智能設備、PLC擷取生產(chǎn)數據，再經(jīng)由DIALink設備連網(wǎng)平臺及系統內建的設定模式，讓用戶(hù)可以輕松串接設備資料；同時(shí)支持 MODBUS、OPC等生產(chǎn)現場(chǎng)常見(jiàn)的通訊標準，擁有高整合與兼容性。邊緣層Edge則透過(guò)DIABCS整線(xiàn)設備管控與DIAEAP設備自動(dòng)化控制兩套系統，M整合異質(zhì)設備M2M互動(dòng)及進(jìn)行數據處理與轉換，不僅可在發(fā)生異常時(shí)下達命令停機，更可透過(guò)系統依不同應用需求，實(shí)時(shí)運算分析轉換成有用的洞見(jiàn)，提供上層系統「即取即用」。

導入先進(jìn)AIoT技術(shù)　從智能工廠(chǎng)邁向智能制造
值得一提的是，目前在三菱導入先進(jìn)技術(shù)實(shí)現DX層面，也分別利用：「行動(dòng)DX」克服勞動(dòng)力短缺問(wèn)題，透過(guò)與產(chǎn)在線(xiàn)機器人協(xié)作/自動(dòng)化，讓人們可以從單調工作中解脫出來(lái)，從事高附加價(jià)值工作；藉「知識DX」，促成員工與三菱獨創(chuàng )的人工智能技術(shù)（Maisart AI）合作，藉其深度/強化學(xué)習、大數據分析能力，讓任何人都可以繼承熟練工人的知識、技能，減省現場(chǎng)運算負擔及時(shí)間等成本。同時(shí)強調其屬于compact AI技術(shù)，可導入三菱在FA領(lǐng)域知識；同時(shí)利用三菱的Edge產(chǎn)品簡(jiǎn)化搜集數據過(guò)程，加速建構完善AI系統。



 
圖5 : 目前在三菱導入先進(jìn)技術(shù)實(shí)現DX層面，也促成員工與獨創(chuàng )的人工智能技術(shù)（Maisart AI）合作，同時(shí)強調其屬于compact AI技術(shù)，可導入三菱在FA領(lǐng)域知識；同時(shí)利用該公司Edge產(chǎn)品簡(jiǎn)化搜集數據過(guò)程，加速建構完善AI系統。（攝影：陳念舜）
三菱進(jìn)一步指出，目前業(yè)界要落實(shí)DX的關(guān)鍵詞為「開(kāi)放」，也就是基于客戶(hù)不會(huì )只選用單一系統整合商與網(wǎng)絡(luò )，在生產(chǎn)現場(chǎng)容易遭遇網(wǎng)絡(luò )、系統及數據零散的結果，所幸有e-F@ctory促進(jìn)開(kāi)放式轉變，以加快FA設備協(xié)作與創(chuàng )新；進(jìn)而導入Maisart AI、EDGECROSS技術(shù)，并陸續在2011年宣布成立e-F@ctory Alliance開(kāi)放聯(lián)盟、2018年發(fā)表開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )CC-Link IE TSN來(lái)統整智能工廠(chǎng)架構。
為了適用于DX時(shí)代靈活先進(jìn)的制造業(yè)，必須提供一個(gè)空間，超越公司和產(chǎn)業(yè)的傳統界限，三菱打造了邊際運算領(lǐng)域的EDGECROSS軟件平臺，以解決因為現場(chǎng)通信標準不同，難與IT軟件、設備鏈結的問(wèn)題，讓任何人都可藉此在工業(yè)計算機上運行可視化邊際應用軟件，透過(guò)在該領(lǐng)域競爭與合作，搜集現場(chǎng)不同網(wǎng)絡(luò )數據，加以統計、分類(lèi)，并促成更有效率利用。