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工业机器人AMR串连关键移载平台
打造无线智慧工厂成显学
[作者 陳念舜]   2020年12月08日 星期二 浏览人次: [3851]

自从2020年6月底台湾5G正式开台以来,除了台面上3大电信营运商撒钱竞标大战,让人津津乐道之外;更重要的还是接下来该如何落实垂直场域应用加值,逐步降低上下游初期建置成本,无线智慧工厂既是其中选项之一,COVID-19疫情无疑更加速成长,整合协作型工业机器人、自动搬运车的AMR装置将扮演关键移载角色,带动相关领域成长!


观察现今台湾制造业因为沿袭工业2.0~3.0时代以来,福特流水线式生产或丰田精实生产管理(TPS)机制,凡是牵扯到生产命脉流动的环节,越具有导入的急迫性,所以聚焦於生产线最隹化、移动设备与物流管理等,将是5G应用最早在工厂落地的3大领域。尤其是移动设备更显急迫性,传统自动化工厂中的自动搬运车(AGV)既属於移动设备一环,用来执行产线之间物流搬运;在搭载轻量化、协作型机器人之後,更有助於生产最隹化。


相较於现行4G通讯技术,5G技术因具有超高频宽与高速(eMBB)、超高可靠度与低延迟(uRLCC)、广连结通讯(mMTC)3大优势,未来在智慧制造领域可创造的利基应用,包括:机器人控制(特别是移动机器人)、扩增实境与虚拟实境应用、品质检测与设备即时控制回??,以及环境与人员状态监控警示等。


其中,在工业机器人控制应用上发展的趋势,包括与多种感测装置(例如视觉)整合、结合边缘(机器人本体)与云端控制、透过机器学习自主更新功能、强化与人机协作时的安全性、众多机器人间协同合作,以及自主移动等,具体效能包括:


1.快速建立、更换、强化个别机器人的能力,以及多个机器人之间的协同工作能力。结合5G、物联网、机器学习、云端平台,能针对不同的产品与制程需求,快速更新控制软体;以及将个别机器人的机器学习结果、新的控制方案与技能,传递给其他机器人。即使位於同一工厂、产线上的机器人,也能以5G相互传递资讯,形成更具效能的整合式工作系统来完成任务。


2.提高人机协作时的安全性,机器人能将多种感测资料传递到远端伺服器或云端处理後,依据反??控制来确保周边合作人员的安全;并透过远距即时控制,让机器人能在特殊环境(例如高温、高压、辐射等)中长期工作。


3.提升自主移动机器人(AMR)的性能与车队管理效能,由於比起传统须预设磁轨与标志,在固定线路运行的无人搬运车(AGV),AMR能在设定的空间内利用无线通讯来感测环境、处理资料与即时控制,防止碰撞而自动导引行驶、应用弹性大幅提高;加上在多数应用场域,会有数台到数百台AMR在相同空间内行驶,所以须藉助中央车队管理系统及无线通讯指挥,5G将成为重要无线通讯应用方案。


根据Nokia预测,未来全球5G专网可能应用场域高达1,458万个,其中就以工厂制造与仓储中心的数量遥遥领先。旗下位於芬兰Oulu的智慧工厂,已导入许多工业4.0与5G应用方案,包括物联网分析、边缘运算、数位分身(Digital Twin),以及AGV、工业机器人、机器视觉人员辅助、AR等,使整体生产力增加30%、新产品上市时间缩短50%,已被顾问公司麦肯锡与世界经济论坛(WEF)评定为全球智慧工厂典范的「灯塔工厂Lighthouse」之一。


Siemens在2019年汉诺威工业展中,也展出「从自动化到自主式生产」的未来生产情境,将零组件与半成品,以及组装用的工业机器人都放置在自主移动机器人(AMR)上,依据生产需求聚集到人员工作站旁,再透过人机协作方式完成产品制造组装。



图1 : 5G技术未来在智慧制造领域可创造的利基应用,包括:机器人控制、扩增实境与虚拟实境应用。(source:assets.new.siemens.com)
图1 : 5G技术未来在智慧制造领域可创造的利基应用,包括:机器人控制、扩增实境与虚拟实境应用。(source:assets.new.siemens.com)

然而,目前厂内AGV多半采取Wi-Fi传输模式,属於免执照的开放频段,连线品质易受干扰,每当移动距离过远,切换不同基地台就需要重新连线,造成AGV在移动过程指令中断,严重影响到产线稼动率;其次是Wi-Fi具有资安风险,容易从外部破解。


因此,对於常需要跨厂区移动设备运行的半导体业者,对5G的部署就展现相当高的兴趣。包括AGV、AMR或是天车(OHT),都是目前智慧工厂中相对率先导入5G的移动设备。在远传协助台达电於桃园龟山厂布建5G企业专网中,就以AGV透过5G讯号与管理平台交换资料,建立智慧物流调度系统,可同时指挥上千台AGV稳定执行搬运工作。


远传、台达电、微软强强三方联手 打造无线智慧工厂

日前由远传电信、台达电子、台湾微软三方携手打造的全国首座5G智慧工厂,分别借重远传以「大人物」(大数据、人工智慧、物联网)专长,搭配5G 80MHz连续频宽,结合台达创新智慧设备以及微软先进云端技术,初期将於台达桃园研发中心的智慧制造示范场域,导入AGV无人搬运车、AOI瑕疵检测设备、云端AIoT应用三大智慧应用,率先打造完整5G应用示范场域。


三方预计於台达桃园研发中心展示间打造的5G智慧示范场域,将运用AGV传输的5G讯号与管理平台交换资料,於生产过程中建立智慧物流调度系统,稳定执行物流搬运工作,将大幅缩减物料搬运次数及人力成本;并依据监测资讯即时下达指令,有效提高产能。


帮助制造业快速取得、分析、视觉化大量的讯息,有效提升流程效率,实现工业自动化。



图2 : 由远传电信、台达电子、台湾微软三方携手打造的全国首座5G智慧工厂,初期将於台达桃园研发中心的智慧制造示范场域,导入AGV、AOI瑕疵检测、云端AIoT应用三大智慧应用。(摄影:陈念舜)
图2 : 由远传电信、台达电子、台湾微软三方携手打造的全国首座5G智慧工厂,初期将於台达桃园研发中心的智慧制造示范场域,导入AGV、AOI瑕疵检测、云端AIoT应用三大智慧应用。(摄影:陈念舜)

台达将在智慧产线中率先以三方合作开发的AOI瑕疵检测设备为示范重点,远传5G智慧工厂专网,於产线布建同一网路;利用5G高速、低延迟特性,即时传送制程中检测产生的巨量高解析度图片资料,并进行大数据分析,快速远端调整制程。因为资料不需经多节点即可回传,大幅降低传输时间,有助於提高检测精准度、产品良率与产能,期待未来能降低90%直接人工,将5G智慧制造经验推广到不同产业。


厂区规划导入的智慧制造云端AIoT应用,则是运用Microsoft Azure开放又有弹性的云端运算平台,以及混合实境(MR)Microsoft HoloLens打造而生;透过5G串连工厂与产线,可


5G第一阶段标准完成 即将启动5A商机

另为了确保产线正常运作,透过新一代资通讯(ICT)技术推动工业自动化(OT)快速进阶到智慧制造,生产设备也是5G相当重要的应用场景。尤其是在COVID-19加速数位转型和生产无人化之後,未来高度自动化设备必须具备即时反应(低延迟)、沟通顺畅(大频宽)、多样深入(广连结)等特性,以实现工业控制与自动化系统、设备云端化,机器人与人、AGV设备互相协作管理;以及可重构的协同控制、产线、无网路线工厂等,能让云端科技内建大数据分析的演算法技术(DT),以合理成本落实於产线,成为能真正同步提升ICT、OT、DT等核心竞争力的智慧制造产业。


工研院产科国际所研究员黄仲宏认为,AI/5G智慧自动化加值现今制造业发展,主要系奠基於3大核心定律:


1.摩尔定律(Moore's law),晶片上可容纳的电晶体数量将以每18个月倍增的速度增加,提升运算速率;


2.吉尔德定律(Gilder's Law):网路通讯系统的频宽会以每6个月增加3倍的速度成长,而消费者每单位的变动通讯成本将逐渐降低;


3.梅特卡夫定律(Metcalf’s Law),区域内的网路价值等於该网路内的网通设备(节点)数量的平方,又与联网用户数的平方成正比。


随着国际标准组织3GPP於今年7月3日宣布完成第一阶段R16标准之後,即将掀起各行各业无线商机热潮,包含从架设企业5G专网开始,逐步落实於智慧制造5A领域等赋能创新应用。促使制造系统变得更弹性、有效率,於生产过程中经过实时监控,确保产能及品质稳定,克服产品生命周期短促的挑战,来提升国际竞争力。


工研院预估全球2020~2035年间投资5G/6G领域将达到3.5兆美元,并藉此加持5A(AMR、AGV、AOI、AR/MR、AIoT)领域发展,衍生出15兆美元以上的市场规模。其中将协助产业发展智慧制造的应用领域,包含:工厂自动化,生产及运作自动控制与最隹化;处理自动化,物料、半成品处置的自动化决策;物流与仓储,物料产品的运送、存放、取出;监控与维护,建立因果方法以分析生产良率高低。


举例来说,3C电子产品(笔电、伺服器、网通设备)制造工厂将是最积极透过5G,建构可自主决策与反应的智慧制造,克服目前AGV、装置联网管理在产线遭遇瓶颈或产能变异时,不易调整与变异预期;避免因为使用人工检测有一定的检测误判率,若采自动光学检测(AOI)不同产品时,恐耗时开发新程序。


反之,在导入5G专网系统的整合架构及高传输、低延迟特性,可??让3C制造工厂转型为智慧工厂。近来英业达公司便采取独立组网(SA)模式的开放式架构5G专网,既提供IoT应用所需的可靠连结与资安;同时透过虚拟化的网路软体架构,降低建置维运成本,兼顾网路安全。5G AI-AOI的整合应用,也确实降低了零组件的误判率,大幅提升基板直通率,约节省50%的AOI复判人力。



图3 : 电子产品将是最积极建构可自主决策与反应的无线智慧工厂(source:smart-industry.net)
图3 : 电子产品将是最积极建构可自主决策与反应的无线智慧工厂(source:smart-industry.net)

此外,目前已在台湾半导体业可见约2,000部AGV/AMR/OHT运行於台积电最先进制程厂,在4个棒球场大的场域里的移动路线长达500,000km,每天接收8,000万次指令。黄仲宏分析,过去AMR虽被看好能兼具OHT/AGV功能,却因为关键LiDAR感测器及SLM无轨导航系统须仰赖欧日系大厂进囗,导致均价高达500万以上。


预估未来5年台湾市场出货量约1,300部,但国际市场复合成长率将达到10%~20%,台湾自主移动式机器人供应链足以满足电子科技业未来需求,其中开源系统、感测器会随着Tokuyo、SICK竞争激烈,加入中国大陆後进者让门槛逐渐降低,估计AMR每年降价5%~10%,建议可从後段制程切入。


但黄仲宏也坦言,现今产业要导入5G专网的成本极高,必须结合电信营运商,为制造业导入5G提升竞争力。并借助同时期并存的Wi-Fi6低耗能技术,协助落实工厂设备布建充足无线感测器,以达到有效监控和智慧化目的,还可减少布建特殊危险位置的感测器更换频率;支援高速传输、多设备连结,适用区域网路,渗透率从2020年16%增加为2024年75%,包含网通设备、晶片、PA元件等年复合成长率(CAGR)约55%。


迎接後疫零接触需求 掌握数位双生商机

工研院产科国际所机械与制造系统研究部经理熊治民也建议,面对未来新的发展需求与营运环境,台湾机械产业需要精确掌握新商机,并加速企业体质改善与竞争力提升。关键议题与策略包括:


1.掌握因应疫情及区域生产带来的零接触(无人化及远距)及分散式生产需求商机。例如基於联网、云端平台、扩增实境技术的生产设备远距监控、健康诊断、远距维修作业指引在疫情期间需求量暴增,以及应用在制造及服务领域的机器人与智慧自动化方案,需要更高的频宽需求以达到即时传输与高解析度的影像,对於5G的需求也必然增长。。


2.发展、提供能协助制造业强化供应链韧性的各类机械设备与产生系统。例如具备高度应变弹性的模组化生产设备,以及透过数位双生(Digital Twin)为客户快速建置生产系统的客制化制造服务能力。


3.加速企业数位转型。透过数位化工具与平台,提升设计、制造、销售、服务等价值活动环节流程数位化程度,进而提高总体作业及营运效能、降低总体运作成本,以及开发满足客户需求与创造价值的新商业模式。


对台湾产业而言,5G可改善部分智慧制造应用方案运作效果,加速智慧制造实际应用的扩散,制造业也是5G未来重要的垂直应用领域,可透过相关应用方案推动,协助5G生态系发展。


长期提供全球客户3D设计软体、数位模拟和产品生命周期管理(PLM)解决方案的达梭系统(Dassault Systemes)台湾分公司资深技术经理许欲生指出,该公司目前在3DEXPERIENCE平台下建构的设计管理平台,即可於CAD设计阶段纳入模拟电控系统、马达、管线等虚实比对;进而在正式生产前,导入各式机器人验证或修改模拟及工艺流程,结合如ABB机器人整合多系统/机器、人机协同,在生产线上各工站的组装程序、稼动率、cycle time等;接着经制造营运管理平台,让业者MES扫瞄工单QR code即可生产。未来还能透


对於有意规划5G智慧工厂的制造业者、AMR及网通设备供应商、电信营运商,达梭除了可藉其软体,模拟验证5G产品的天线及结构、基地台设计之外,还能兼顾其配置时高频基地台、感测器密集的特性,建议安装的位置、数量,避免受到厂内金属机械设备或其他个人通讯装置干扰、遮蔽讯号;甚至是电磁波对人体影响、热管理对策等,确保传输效能稳定,提供AI机器学习(Machine learning)分析、预诊数据。透过5G持续累积制程数据交换,与上中游供应链、国外客户合作提供远距维运等售後服务。



图4 : 对於有意规划5G智慧工厂的制造业者、AMR及网通设备供应商、电信营运商,达梭系统能兼顾其配置时高频基地台、感测器密集的特性,建议安装的位置、数量。(source:达梭系统)
图4 : 对於有意规划5G智慧工厂的制造业者、AMR及网通设备供应商、电信营运商,达梭系统能兼顾其配置时高频基地台、感测器密集的特性,建议安装的位置、数量。(source:达梭系统)

**刊头图(source:bosch-presse.de)


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