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食品加工與包裝自動化應用不進則退
缺工、食安、疫情推波助瀾
[作者 季平]   2023年05月25日 星期四 瀏覽人次: [4654]

少子化、缺工導致人力短缺,加上重視食安、疫情零接觸推波助瀾,傳統食品製造業近年來也加快自動化腳步,藉此降低通膨與人力造成的成本壓力,進一步透過自動化提高產能與效率。


從原料進貨到終端產品出貨的完整食品加工製程中,涉及原物料、加工技術與設備等各項變數。傳統食品加工流程受限於部分原料處理、加工程序及產品包裝等因素,不一定能夠採取全製程自動化生產,因此,食品業者的自動化與數位化腳步快慢不一。


隨著物聯網(IoT)、人工智慧(AI)、機械學習(ML)與機器人等科技快速發展,越來越多大型食品製造業者帶頭導入智慧化生產,利用機器視覺系統、AI機器學習等技術優化產線,提高品質與效率,同時滿足消費者對食安的高標要求。


食品業不同調 自動化與數位化進度有落差

事實上,當食品製程改變,不僅生產力得以提升,也能有效降低原物料等耗損。台灣食品龍頭廠大成集團斥資24億元於嘉義馬稠後產業園區興建的全新食品工廠堪稱全台最大的單一食品廠,已於2022年12月啟用,透過高科技、自動化技術生產安心食品,每月產量達3,000噸,預估每年可挹注50億元產值。這座加工廠的食品安全及品質衛生均符合工業4.0標準,運用製造執行系統(MES)及SAP雲端管理,採用高效益連續式生產設備,自動化產線分為分切線、浸漬線、預炸線、全熟線、雞精蒸煮線及包裝線等,自動化與智慧化兼備。



圖1 : 大成於嘉義馬稠後產業園區興建的全新食品工廠於2022年12月啟用。(source:大成官網)
圖1 : 大成於嘉義馬稠後產業園區興建的全新食品工廠於2022年12月啟用。(source:大成官網)

智慧化生產是大勢所趨,食品業者在轉型或升級過程中須掌握三大重點:資料取得、數據分析與自動化生產。如結合雲端、AI、大數據、資料庫等技術,可以有效管理生產流程;工業物聯網(IIoT)則可以透過感測器蒐集更多數據與資訊,連接機器與系統;機器學習與智慧商業系統可以進一步分析數據,提供各類管理解決方案,甚至提供維修或警告,預測運營過程中的各種風險;智慧工廠中的系統、機器和裝置相互連結,可以持續監控及優化工作流程。


此外,數位分身(Digital Twin)技術可以透過機器或系統虛擬方式重置或在現有系統中測試相容性,避免直接在實體環境運作可能產生的風險或資源浪費;3D列印技術可以透過智慧化隨選製造或虛擬庫存,降低庫存風險及浪費;虛擬實境(VR)與擴增實境(AR)等技術可以將環境狀況、流程狀態、組裝錯誤資料、庫存量、利用率及產出量等各項指標整合成一個情境樣式;區塊鏈可以運用在供應鏈中,用來追蹤合約、供應量、供應鏈流程等環節,管理企業內互連資產和機器存取內容,保護系統安全並確保裝置記錄的正確性。


RFID電子紙標籤的自動化應用

雖然少數大型業者的自動化與智慧化腳步快,食品加工與包裝自動化領域中的多數業者離前述各項智慧化技術的應用仍有段距離,較為普及的應用包含RFID電子紙標籤、包裝自動化及機器人應用。


無線射頻識別系統(RFID)電子標籤是可重複使用、可編程與可使用在無線通訊領域的智能標籤,可以清楚顯示商品價格、庫存、有效期限等訊息,並能透過無線網絡即時更新數據。物聯網(IoT)普及、電子商務加速佈局、醫療成本增加、智慧城市崛起及新冠肺炎疫情(COVID-19)爆發都是促使RFID電子標籤快速成長的催化劑。全球多家大型零售企業早已使用電子標籤技術,如沃爾瑪(Walmart)、亞馬遜(Amazon)等。如今,RFID技術已被廣泛應用於零售、物流、製造、醫療保健、運輸等領域。


研調機構GII(Global Information)數據顯示,全球RFID標籤市場自2015年以來以5.3%的年複合成長率持續攀升,2020年至2025年的年複合成長率達8.8%,2025年市場規模約為135.69億美元,預計未來5年內年複合成長率將達12.6%,2030年市場規模將達201.895億美元。以地區來看,北美的RFID占比最高,約占全球市場總量的三分之一以上。至於全球RFID的代表業者主要為IBM Corporation、Zebra Technologies和Hewlett-Packard。


RFID(Radio Frequency Identification)無線通訊技術包含讀取器、電子標籤與後端應用系統等三部分,運作原理是透過讀取器辨識標籤晶片中所儲存的識別碼等資訊,當讀取器接收到無線信號時,晶片會回傳內部儲存資訊,完成識別、追蹤與管理。


基本上,10公尺左右的傳輸距離內,RFID多能發揮極佳的穿透性、可重複使用等特點,由於讀取範圍和角度寬廣,即使標籤遭到物理性遮蔽,還是能遠距讀取資訊,便利、省時,而且節省人力。隨著技術演進,RFID已經可以使用高階晶片,提高安全機制,並擴大應用場景。另一方面,電子標籤可重複使用,壽命長,無需額外電源,更加環保節能,在全球邁向無紙化、智慧製造與燈塔工廠等趨勢下,RFID未來的市場需求量勢必持續攀升。


食品智能包裝與電子標籤的應用

除了電子標籤,食品智能包裝也逐漸受到重視,相關技術包含感測器(Sensor)、指示標籤(Indicator)與RFID。常見的食品智能包裝技術以Indicator為多,以小標籤、顏色變化技術為主。食品領域中以時間-溫度指示標籤(Time-Temperature Indicator)為多,不透過接受器和轉換器轉換訊號,而是以肉眼直接判讀結果,一般用來監控運送及貯存過程中溫度與時間變化對食品的影響,如蔬果新鮮度指示標籤、酸鹼度變化標籤等。


也有Indicator結合感測器檢測技術,但這類微生物檢測標籤受到製作成本、生產意願、消費者接受度、國情法規等因素影響,實際應用較不普遍,一般商品化食品包裝電子標籤以簡單、快速、安全、單一、定性、定量、低成本、合規為訴求。


從消費者角度來看,在選購食品時通常必須仰賴包裝上的標籤進一步了解材料、營養成份、食用方法、保存期限等資訊,如果標籤可讀性欠佳、字體太小、印刷不良或字體、顏色與對比度不足,可能導致誤食過敏材料或挑選到過期產品。因此,有業者提供人工智能貼標解決方案,不論是標籤供應、列印標籤、機械貼標等工序都能達到高速、高效、高品質等要求,如冷凍食品標籤貼紙力求耐低溫、防水,並配合冷藏包裝等需求;標籤印刷品質與耐用度提高,加強耐磨度以及防掉色設計;貼標過程採用機械手臂高速運作,提高精準度,以防錯貼或漏貼。


如Rockwell Automation自動化包裝即強調靈活、可擴充包裝機械技術,透過iTRAKR 智慧追蹤系統模組化、可擴充線性馬達系統,個別控制多個直線或曲線移動元件,以簡單有效的軟體設定檔取代硬體,有效提升50%以上的生產速率,同時縮短換模停機時間,降低定期維護頻率,有效降低食品業者部署製造設備的整體成本。



圖2 : Rockwell Automation的iTRAK 智慧追蹤系統。(source:Rockwell Automation)
圖2 : Rockwell Automation的iTRAK 智慧追蹤系統。(source:Rockwell Automation)

協作型機器人也加入食品機械行業

過去,機械人智慧化技術應用在食品製程中主要以搬運重物為主,取代人工於高溫、高熱、潮濕等環境中作業,或者取代重複性高的工作內容。食品產業生產線上的機器人多應用於瑕疵品剔除、包裝與裝箱等工作,也有食品業者導入自動搬運車、機械手臂等自動化流程。


近年來,隨著協作型機器人逐步接手前述人力,業者更有機會導入智慧化機器人應用。以食品業來說,溫度要求可能非常極端,不是極高溫就是極低溫,這樣的工作環境對於協作型機器人來說完全不受影響;需要在無塵室認證環境下工作的協作型機器人能輕鬆符合嚴格的衛生與環境要求;協作型機器人可以提高製程的準確度,減少自動取放過程中所造成的浪費,甚至在關燈情況下仍能輕鬆執行任務;高度重複性工作是協作型機器人的強項之一,可以24小時全年無休;搭配3D測量或測試功能的協作型機器人能識別故障零件,減少浪費;體積小的機器手臂適合在有限空間內執行各類操作與加工。


丹麥商優傲科技(Universal Robots)就利用協作型機器人為北歐的食品製造商Atria Scandinavia解決難題。Atria Scandinavia每天需處理橄欖、番茄乾、大蒜和其他特定食品的包裝、貼標籤及裝載作業,停機時間自然是越短越好,如此才能協助公司以更具競爭力的價格提供新鮮食品。2台UR5和1台UR10協作型機器人僅需20分鐘就解決了Atria Scandinavia原來需花費6個小時才能完成的工作內容,包裝部門的材料使用也獲得優化,減少了25%的材料浪費,至於投資在協作型機器人的成本則不到一年就回收。



圖3 :  UR20是優傲科技旗下首款新世代協作型機器人。(source:Universal Robots)
圖3 : UR20是優傲科技旗下首款新世代協作型機器人。(source:Universal Robots)

德商庫卡(KUKA)的KR AGILUS機型屬於緊湊式六臂機器人,可直接接觸食品和藥物,適用於淨室、爆炸危險區域,而且防濺水,耐腐蝕表面、食品級潤滑油和不銹鋼零件均符合最高衛生標準,適合應用於無菌環境等使用情境。KR DELTA衛生設計機器人則符合衛生機器規格,適用於快速揀放應用場景,如食品、製藥和電子等產業,由於具備IP 67防護等級,可防塵、防水,在高壓下也能使用鹼性或酸性清潔劑執行工作。



圖4 : KR DELTA衛生設計機器人適用於食品產業中的高速揀放作業。(source:KUKA)
圖4 : KR DELTA衛生設計機器人適用於食品產業中的高速揀放作業。(source:KUKA)

轉型與升級不進則退 循序漸進找良策

研調機構Grand View Research預估,2028年全球工業自動化及控制系統市場規模將達2,899億美元,年複合成長率達8.9%;麥肯錫(McKinsey & Company)評估,廠房在設備上若能使用感測器或完整佈建工業物聯網 (IIoT),能有效降低10-15%的維護成本。不過,仍有許多業者無法將自動化技術規模化,或者擴充至整條產線,離工業4.0或智慧製造門檻仍有一大段距離。


研華智誠觀察,台灣食品工廠中小型企業為主,生產與管理流程數位化程度較低,工廠數位布局的步調緩慢,因此容易出現生產效率降低、品質不易掌控,甚至減產仍無法順利出貨的窘境。


建議想要數位轉型的食品製造業者從導入數位化檢核表單做起,有助企業完整記錄生產流程,透過大數據蒐集的系統化資料進行異常預測與流程管理優化,可以確保產品良率穩定,並減少資源耗損。小美冰淇淋即透過食品工廠智慧化系統改造,搭上物聯網風潮,大量減少耗能成本,透過產線偵測與遠端監控數位轉型工具讓數據可即時呈現,記錄於可視化報表,大幅優化產線流程。


跨入工業自動化進程,才能有效提高營運與資源效能,降低碳排量,也能逐步朝智慧製造、燈塔工廠及ESG等目標邁進。不過,數位轉型或智慧化升級除了導入新技術,更應該思考企業轉型的價值為何,之後擬定策略緩步前行,不一定要在短時間內一步到位,卻忌裹足不前。


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