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灯塔工厂的关键技术与布局
:迎接绿色制造
[作者 季平]   2022年05月27日 星期五 浏览人次: [4036]

达成净零排放的关键除了能源转型,还包含减少产品「制造」,透过产品、零组件及材料循环运用,可以有效降低碳排,或者透过「提供服务」的方式创造产品价值。


联合国政府间气候变迁专门委员会(IPCC)公布的气候变迁报告(AR6)指出,全球约有33-36亿人生活在极易受气候变迁影响的环境中。温度上升摄氏2度,全球约30亿人将经历「长期缺水」,18%的陆地物种将面临灭绝风险;升温摄氏4度,约50%的物种生命将受威胁。第26届联合国气候变迁大会(COP26)强调,实现《巴黎气候协定》,守住升温临界值摄氏1.5度,有助减缓碳排量,不过,减缓碳排只能延缓气候变迁带来伤害,零碳排才是根本之道。


智慧制造再升级,产线、营运都变绿了!

全球碳排量约55%来自能源生产及使用,45%来自工业、农业等制造加工过程。为响应《巴黎气候协定》,全球产业积极推动2030年及2025年净零碳排,如苹果(Apple)宣布,2030年起苹果供应链净零碳排到位,并已协助逾200家供应链业者改以再生能源运作,包含台湾的台积电、和硕、日月光、仁宝等业者;Google早在2007年已达成碳中和,2017年100%使用再生能源,2020年已抵销所有碳足迹,并承诺2030年全天候使用零排放能源(carbon-free energy);半导体业者爱德华先进科技在2021年便积极设立SBTi目标,透过环境减排技术协助企业及客户减少碳排;亚马逊(Amazon)制定新计画,计画於2040年达成碳中和。



图1 : 康宁(Corning)运用Conetoe的太阳能装置产出清洁能源;右为奥勒冈州的Montague风电厂,是Apple迄今最大的再生能源专案之一。(Source:Apple官网)
图1 : 康宁(Corning)运用Conetoe的太阳能装置产出清洁能源;右为奥勒冈州的Montague风电厂,是Apple迄今最大的再生能源专案之一。(Source:Apple官网)

除了电,制造业是温室气体产生的大宗,特别是钢材、混凝土及塑胶等材料,约占总体的1/3。对於制造业来说,达成净零排放的关键除了能源转型,还包含减少产品「制造」,透过产品、零组件及材料循环运用,可以有效降低碳排,或者透过「提供服务」的方式创造产品价值,这两种方式对制造业来说都是从工业3.5到工业4.0的「绿色转型」。循环台湾基金会呼吁,「减少制造、提高资源循环运用」才是制造业因应 2050净零排放的关键策略,建议企业积极投入循环经济,发展低碳商业模式。


零碳排需要生产与供应链全面改造,不只苹果、Google,微软、Amazon、Meta等科技巨擘都陆续宣布加入碳中和与净零碳排行列,台湾业者也积极响应绿色转型,如台湾第四大碳排大户台积电宣布2050年内达成净零碳排,未来30年,每年减少1000万吨碳排;日月光、鸿海宣布2050年实现100%碳中和;台达电承诺100%使用再生能源,2030年推动碳中和;宏??、华硕将在2035年达成碳中和。


全球产业加入碳中和、零碳排等「绿色转型」行列,「智慧制造」与「智慧工厂」蔚为风潮,「灯塔工厂」应运而生,台湾政府也将智慧机械列入五加二重点产业,推动智慧制造转型。


绿色浪潮席卷制造业 灯塔工厂成标竿

「智慧工厂」是第四次工业革命(4IR)制造业转型的新产物,不少工业先进国家加速推动绿色制造,英国就将净零转型视为「绿色工业革命」。技术世界经济论坛与麦肯锡自2018年起评比全球智慧工厂,将表现最出色的智慧工厂评选为「全球灯塔工厂(Global Lighthouse Network)」,评选标准包含自动化、数位化、大数据分析、工业物联网、5G等数位科技建置以及运用成熟度,这些数位科技是工厂中广泛使用的工业4.0领先技术。


截至2021年,已有90家企业入选全球灯塔工厂,如2021年入选全球灯塔工厂的友达台中Fab 3厂、群创高雄8.5+8.6代厂,鸿海集团郑州厂区及武汉厂区也双双入选,是继深圳、成都厂区後入选的鸿海新厂区。值得一提的是,入选灯塔工厂的企业并非完全以机器取代人工,而是透过数位化技术带来创新,提高产能与效能,多数工厂不仅产量提升,也成功创造产品价值,找到新的营收来源。


以友达光电来说,自2015年启动智慧制造2.0後,即针对智慧制造、绿色制造和人才培育进行转型,并深化4IR技术,如运输自动化、机器学习与电脑视觉自动检查及维修产品、IoT架构结合自动清洁、AI应用程式整合系统等。为因应智慧工厂绿色转型,各厂区的管理模式也随之调整,结合场域知识与资料科学技术,从过去的反应式管理改变成预测式管理。2018至2020年三年内,灯塔工厂整体产能上升32%、先进制造良率提升60%。



图2 : 友达台中厂获选全球灯塔工厂;自行开发水电气即时监测模组。(Source:友达)
图2 : 友达台中厂获选全球灯塔工厂;自行开发水电气即时监测模组。(Source:友达)

除了4IR技术,友达也透过AIoT企业策略结盟方式,与关企友达数位、友达智汇、友达宇沛等合作,提供专业顾问谘询服务,内容包含永续生产制造专业知识、软硬体解决方案、AI系统与场域应用相互结合的一体化解决方案等。


群创光电总经理杨柱祥指出,智慧制造与智慧营运势必同时并进,才能创造最有韧性的经营体质与核心竞争力,智能管理不仅可以强化精准设计、智?生产及智慧检测,智能引擎还可以取代人工检核,改善工作环境与效率。


群创高雄厂区透过自动化、数据化及智能化,实现群创XYZ数位转型策略,该厂也投资自动化、物联网和分析技术以提升制程、品质和问题解决能力,产品最终不良率因此降低33%,利基产品比重则增加22%,品质侦查时间减少90%,总体产能增加10%,成功建立完整生态系,同时提升整体竞争力。


鸿海董事长刘扬伟则表示,数位转型是集团自「劳力密集」转型为「脑力密集」的重要阶段。截至2021年,鸿海集团约有20馀座厂房符合灯塔工厂标准,其中有11座获选为「灯塔工厂」。在生产线流程优化方面,鸿海武汉厂区利用先进分析技术、柔性自动化技术重新设计制造系统,提高86%劳动生产率、减少38%品质缺陷,订单交货周期缩短29%(降至48小时)。


郑州厂区则提高102%劳动生产率,减少38%品质缺陷,整体设备效率提高27%。面对快速的业务需求但技术熟练工人不足等问题,鸿海采用混合实境、人工智慧和物联网等技术,提高200%劳动效率,整体设备效率则提高17%。



图3 : 鸿海集团郑州厂区获选灯塔工厂。(Source:鸿海)
图3 : 鸿海集团郑州厂区获选灯塔工厂。(Source:鸿海)

此外,鸿海「灯塔工厂」还积极对外赋能,推动产业数位化及数位产业化发展,如鸿海郑州厂区建立跨职能转型办公室,与德州、清华等10所大学合作研发、招募复合型人才,建立全球技术生态系统。鸿海集团规划2022年再打造20座「灯塔工厂」,改造模具生产、CNC加工、表面贴装、系统组装等场域,同时在厂房内导入自动化、数位化、智慧化等技术,同步提高产品力及管理品质。


支撑灯塔工厂的4IR关键技术

麦肯锡合夥人及制造工作(McKinsey & Company and Global Lead of its manufacturing work )全球负责人Enno de Boer表示,「灯塔」实现永续发展,并非完全以机器取代人工,而是透过数位化技术带来工作变革,提高效能。


4IR技术包含人工智能、机器人及物联网,这些技术有助加速永续发展,同时强化企业竞争力。灯塔工厂结合5G通讯、物联网(IoT)、云端与边缘运算等资通讯技术,搭配人工智慧(AI)、大数据(Big Data)、预测、数位双生(Digital Twin)、AR与混合实境(MR)等新兴智慧科技,运用在感测、机器人、无人载具、积层制造等先进技术,发展出提升工厂与供应链营运绩效的数位化、智慧化应用方案,创造价值成效。全球灯塔工厂的主要应用方案包含数位化组装与机械设备、数位化设备维护、数位化绩效管理、数位化品质管理,以及数位化永续发展。


TrendForce指出,2022年全球智慧制造市场规模近3700亿美元,2019-2022年年复合成长率达10.7%。智慧制造的核心在於数据与设备虚实整合後的即时反应,关键在於延迟性、安全性与运算能力,未来发展将以边缘运算及5G为主,如AR/VR、机器视觉、数位双生、预测性维护等技术支持及应用升级。


工研院产科国际所??组长熊治民表示,近年来,发展快速的智慧制造相关技术与应用包含感测、智慧机器人(特别是协作机器人与自主移动机器人AMR)、积层制造(3D列印)、人工智慧(AI)、5G通讯、工业物联网与云端平台、数位模拟与分析,以及扩增实境(AR)等。在智慧工厂的技术应用上,2022年已经出现物联网结合5G、边缘运算、AI等工具打造的虚实整合系统(Cyber-Physical System;CPS),数位双生(Digital Twin)技术则被广泛运用於智慧制造、智慧城市等垂直领域。


随着环境、场域与设备间的交互影响愈来愈复杂,数位技术也扩大部署及运用范畴,如物联网技术搭配3D感测技术、VR、AR等远端作业,打造元宇宙(Metaverse)发展架构。推动净零碳排已成为制造业全球趋势,急需借助智慧感知、IoT、AI、数位双生,以及碳排放计算、能源与资源使用优化、供应链运作优化等技术,提供更多解决方案。


多数制造业都会朝自动化、数位化、智慧化运作发展,如基於云端平台的自动化与数位化工作流程、以机器人节省人力或补充生产能力、以远距工作模式克服市场营销与客户服务限制、透过人工智慧预测原物料价格与供应链运作优化等。目前国际制造业者持续透过工业4.0、数位转型应用建立更大的智慧制造体系。大型企业全面推动设备联网、智慧化产线与智慧工厂,导入5G、AI、AR、云端、协作机器人、无人搬运车(AGV)与自主移动机器人(AMR)等技术;中小型企业偏向设备联网、稼动率可视化、自慧化排程,以及结合AI的自动光学检测应用。


研究指出,晶片制造占电子设备碳排放的大宗,产业上游晶圆代工及封装测试、中游组装及下游品牌科技大厂纷纷提出碳中和时间表,如台积电、联电、台达电、鸿海、日月光、宏??、华硕等。英特尔、台积电、联电、日月光投控等半导体大厂今年4月宣示,在全球营运范围内达成净零排放目标,除了扩大采用再生能源,也会在价值链中降低温室气体排放量,如英特尔承诺在2040年前,全球营运达净零排放目标,并在价值链中降低逾30%的温室气体排放量。


全球第一家RE100半导体企业台积电承诺100%使用再生能源,於2020年成立净零排放专案,为达成2050年净零排放目标,拟定减缓措施、强化绿色创新作为,积极采用再生能源,并持续寻找各种排碳减量机会;为达2050年净零碳排目标,联电推动「净零行动」三部曲:针对营运直接排放、能源使用间接排放及价值链产生的间接排放,落实低碳能源转型。



图4 : 台积电使用再生能源量与比例。(Source:台积电)
图4 : 台积电使用再生能源量与比例。(Source:台积电)

结语

智慧制造与灯塔工厂的应用需要持续累积才能展现具体成效。目前国际制造业者持续透过推动工业4.0、数位转型应用建立更深化、范畴更大的智慧制造体系。预期大型制造业者未来将结合内外部资源,建立规模化智慧工厂,以提升产能、品质与接单弹性,带动台湾智慧制造方案生态系发展,在大型企业带领下,再将中小型企业纳入智慧制造生态系及产业链,逐步发挥「灯塔工厂」绿色制造的整合价值。


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