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工业物联网落地成真
实事求是 勾勒智慧制造愿景
[作者 王明德]   2018年07月11日 星期三 浏览人次: [1267]

近年来智慧化成为各产业的热门议题,而智慧化愿景要落实,必须根基於自动化技术,从实际应用面观察,自动化系统必须附加在某个技术上,促使此技术改善品质、提升效率,因此自动化技术所产生的价值,容易被看见、计算,智慧化系统与之不同之处,在於智慧化是藉由开创全新系统提供全新的价值,以打开另一个全新市场,而以制造业来说,工业物联网仍属於自动化范畴,要真正达到智慧化,必须倚靠之後云端平台与AI技术的导入。


视觉技术进化 检测快速稳定

工业物联网的系统建置目标,聚焦於制造业前端设计与後端制程系统,用以提高产线弹性,现在市场上的工业物联网作法有两种,一是设备中建置感测器,感测器可快速判断工件的类别,改变生产方式,不过一旦所需处理的工件种类变多,这需要系统复杂度也必须同步提升,另一是将产线系统设备模组化,一旦产品或制程将产线拆开重组,即可组装成适合的生产系统。


这两种方式都会牵涉到不同系统的整合,一是视觉技术,品管是最後产品品质最後把关的环节,在机器视觉技术未臻成熟之前,过去一向以人力为主,以太阳能、LED产业为例,就有超过20%的人力投注在此,不过产品检测单调且冗长的作业模式,容易使操作者出现疲劳、注意力分散等问题,现在机器视觉技术逐渐精进,足以担当产品检测重任,因此可以被导入产线以提高了产能、降低成本。



图1 : 工业物联网全面串联制造现场的设备,将是智慧制造的骨干系统。(Source:eInfochips)
图1 : 工业物联网全面串联制造现场的设备,将是智慧制造的骨干系统。(Source:eInfochips)

目前机器视觉化的检测作法,是将视觉感测器与镜头,直接建在系统设备上,当产品传送至该站时,即可被检测,这种作法的好处是可以全检,不像一般用抽检的方式,产品品质可全面获得保障,另一个优点是速度快,可加快检测速度。


视觉检测是现代自动化系统相当重要的部份,而此一技术也是现代与传统自动化的主要差异,20年前机器视觉因技术尚未成熟,与自动化系统整合的难度相当高,就算整合进去,判别速度也有限,不过随着视觉演算、判断法则的进步,再加上现在PC的强大功能,未来视觉检测会大量应用在各类制程。


就整个历程来看,视觉检测在2000年开始被大量应用,当时主要应用领域是PCB(Printed Circuit Board;印刷电路板)与FPD(Flat Panel Display;平面显示器),不过主要都用来做瑕疵检测,随着技术进步,现在的视觉检测功能已不再只局限於此,包括尺寸检测与颜色、条码、车牌等辨识都已能胜任,其应用也仍不断扩大,例如以前立体工件的量测,必须将物件放至3D设备进行扫描,不过这类扫描会有尺寸限制。


另外,现在视觉技术也可用来进行定位与尺寸的量测,例如工研院机械所就曾接过过国内马达大厂的案子,利用视觉技术检测马达内的线圈,由於受测马达的线圈相当大,整体长度超过2公尺,这种产品对於尺寸的准确度要求相当高,因此在绕线完後,必须确定尺寸的正确与否?对此,工研院就特别开发专属机台,用视觉检测大型马达线圈尺寸,马达的尺寸量测非常复杂,不仅是3D量测,还有曲度、各个旋转的R角等,这些复杂的尺寸量测,以前用人工,光是一个线圈就需要数小时,而机械所开发的机台,只要在2~3分钟可完成,大幅提升了量测效率。


制程监控 提升产线弹性

除了这类量测外,另一种视觉应用是与机器人整合,进行定位、导引,过去机器人动作时,因没有视觉配合,必须事先规划行径路线,因此应用不但大为受限且缺少弹性,若工件规格有所变化,就必须更改程式,在机器人身上加入视觉装置後,由视觉感测器可回??讯号,让机器人自主判断工件的形状、颜色、位置,即便尺寸、位置更动,也不必重写程式,如此将可大幅提升自动化产线的弹性。



图2 : 工厂生产现场中,所有的细节与状况都有可能干扰、延滞系统的建置,然而这也是制造业者数位转型之路必然要面对的课题。(摄影/王明德)
图2 : 工厂生产现场中,所有的细节与状况都有可能干扰、延滞系统的建置,然而这也是制造业者数位转型之路必然要面对的课题。(摄影/王明德)

在制程监控方面,工业物联网系统可透过感测技术进行节能与效率两种监控,由於这方面的监测,其物理量通常都不太好量,因此多采间接量测,例如工具机里的切削力量测,不是将感测器设置在基座就是在刀具底部,再利用推论模式推测出所要的数值,这种推论模式,是利用过去累积的资料,来预测下一步的状况,以进行控制、补偿,藉以提升准确率。


监测部份,现在业界的研发走向是设备预诊,此作法除了建有历史资料库外,还可依据资料库进行预测,例如若发现系统性能除线问题,就可由此系统推算出可能出错的系统环节,这种预测诊断的功能,主要是根据既有资料来预测系统未来的性能与状况,并诊断系统中未来的可能损坏部位与时间,让设备厂商可提前备料、维修,这类系统在大型设备如核能、大型风力发电等相当常见,一般来说,越大型的设备,对预测诊断的系统需求会越高。


与既有设备介接 启动智慧愿景

现在工业物联网的另一个研发重点,是系统的通讯介面串连,目前制造设备中,最完整的通讯介面是国际半导体协会所订的SECS/GEM通讯协定,几??所有的半导体机台都会内建此介面,由於半导体产业发展相对完整,因此目前PPV设备自动化生产线上,已引进相同的通讯介面,未来LED机台也可能采用,未来各类型的生产机台,也会有类似的共通介面。


随着制造业的厂商规模增大,机台数量势必会越来越多,在整合概念下,各机台之间的通讯互连已是必然,而机台互连设计时,与其要重新研发新技术,不如沿用已有的成功标准,在此情况下SECS/GEM的应用领域将会越来越多,目台湾许多大厂如台积电、联电,国外如Global Foundry、三星,都已导入相关通讯产品。


经过过去几年的市场教育,工业4.0现在已开始进入实质导入阶段,而工业物联网是工业4.0的基础架构,系统建构时必须与现有设备全面串接,对制造业者来说,这是工厂生产的第一线现场,所有未能掌握、意想不到的细节与状况,都有可能干扰、延滞系统的建置,然而这也是工业4.0中所有智慧愿景的启动点,因此制造业者若要走上数位转型之路,这是必然要面对的课题。


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