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RFID建构自动化基础 为智慧制造做好准备
[作者 王明德]   2019年10月25日 星期五 浏览人次: [2455]

工厂自动化系统发展多年以来,都属於封闭式架构,直到工业4.0概念兴起,强调OT与IT技术整合,IT技术被应用进来,才逐渐打破藩篱,开始引进其他相关IT技术,然而由於工厂系统涉及制程,稳定向来是系统设计的第一要件,因此相关的IT技术导入脚步并不如消费性产品快速,但在所有技术中,RFID却是特例,目前已被大量应用於工厂制程。



图1 :  RFID是利用其自动辨识的特色,配合软体功能,来让系统具有一定程度的智慧化,并藉此提升生产效率,并为制造业带来一定的助力。(source:Factory Automation)
图1 : RFID是利用其自动辨识的特色,配合软体功能,来让系统具有一定程度的智慧化,并藉此提升生产效率,并为制造业带来一定的助力。(source:Factory Automation)

在自动化系统的架构中,RFID主要是利用其身分自动辨识的特色,配合软体功能来让系统具有一定程度的智慧化,并藉此提升生产效率,以汽车产业为例,根据已导入相关建置的汽车制造业内部调查,其建置後生产效率提升30%,这足以证明RFID的智慧化自动辨识特色将可为制造业带来一定的助力。


RFID强化产线效一

从台湾汽车制造业者的案例来看,RFID导入制造系统後,不但制造成本降低,生产效率也提升了30%,另外更将应用触角延伸到汽车保修领域,透过RFID将上下游的价值链体系做全面的应用与整合,提升管理精度与客户使用满意度。


该车厂在导入RFID系统的第一步,是将RFID应用在油漆槽,用来控制上漆时间,以免厚薄不均,不过由於烤漆作业温度相当高,为了让RFID能够顺利运作,其标签规格必须要特制,再加上当时RFID技术未臻成熟,因此标签成本相当高昂。


高昂的成本让车厂略有迟疑,不过之後仍决定将RFID的应用扩及於其他生产层面,首先是库存管理方面,汽车车体的零组件之多,居於所有制造业之冠,要将这些零组件妥善管理,准确送达作业线上,必须仰赖RFID来进行管理,由於其电波发送会受金属干扰,因此除非特殊零件,否则一般都不会将RFID标签直接建在零组件上,而是贴在纸箱上作为识别。


当零组件来到作业线上时,由於并没有RFID标签,因此生产线必须在其他地方建置标签以兹识别,这时产线是将标签贴在半成品的运送载具上,当该载具来到作业地点,读取器接受到讯息後,就会通知PLC控制自动化设备,进行车体的组装,车体组装完毕之後,会将车辆送往成车管理中心,该中心再依据派车地点进行派送,并经由RFID系统来管控车辆。


该车厂将RFID与生产制程管制结合,大幅降低制造成本,除了汽车制造层面外,也整合了销售系统,从经销端客户的订单到生产过程均可监控,为接单生产模式奠定基础。


克服环境考验 建构稳定系统

RFID在汽车制造产业的应用特性与其他制造业略有不同,首先就是上面提到的零组件数量异常庞大问题,再来则是制造程序的多样化,范围之广足以使其他制造业者得以於其中找到可模仿之应用,因此汽车产业的RFID应用,毫无意外的吸引了多数有意导入相关系统的制造业者之目光。



图2 : RFID导入制造系统後,不但制造成本降低,生产效率也可大幅提升。(source:Rubber & Plastics News)
图2 : RFID导入制造系统後,不但制造成本降低,生产效率也可大幅提升。(source:Rubber & Plastics News)

汽车的零组件众多,其使用材质也包罗万象,包括钢铁、非铁金属、玻璃、橡胶、石绵、陶瓷、纤维等,但在汽车车体的零组件中,应用比例最大者要算是金属,现在RFID厂商已有针对金属使用的RFID标签,不过这类型标签的售价还是偏高。


因此,在金属干扰未解决之前,标签的贴放位置就是一大考验,尤其是车体内同一空间的金属零件太多,要找出特殊位置来放置标签往往要经过不断的测试,这个标签的贴放位置问题,不仅在汽车制造会出现,其他制造业者也会遇到,该问题会因各厂商的产品而有所不同,一般来说,产品内部材质、结构越复杂者,其RFID标签贴放位置难度越高,例如洗发精与数位相机,其难度差异就甚大,而所有的民生消费用品中,又以汽车制造最高。


汽车制造另一个特性则是制造的繁复,一辆汽车从零到完成,制程从车体焊接、涂装、部分零组件组装、到最後的整车装配,所面临的制造环境多样,标签的稳定、强固性也大受考验,例如在涂装制程,标签必须要能承受喷烤漆的高温、染料的酸硷侵蚀,通过後才能继续使用。


除了标签外,读取器也是重点之一,汽车生产与其他制造业不同,一般制造业的生产线多为单线生产,每条生产线上的产品均为固定品项,不过在汽车产业则为混线生产,一条生产线要同时制造不同的车种,生产线上每一部半成品前後紧邻的车种都不一样,在车种不同标签贴放位置相异的情况下,读取器还是能准确、稳定的读到资料,这也是汽车制造必须特殊考量之处。


就现场应用面来看,RFID应用於自动化系统时,主要的技术困扰来自读取率,与其他的产品不同,车子处於移动状态的时间相当长,在汽车制造过程还可准确读取标签资料,如果完成上路,在马路上行驶,读取器是否还能有效而稳定的感应?这个问题在汽车制造阶段并不会产生,不过如果将整个汽车价值链延伸到後续的保修端,问题就会被突显出来。



图3 : RFID应用於油漆槽,可控制上漆时间,以免厚薄不均。(source:Siemens)
图3 : RFID应用於油漆槽,可控制上漆时间,以免厚薄不均。(source:Siemens)

至於非技术性的困难则是选择厂商,过去RFID厂商稀少难觅,这使得在厂商建置系统时,遭遇不少困扰,不过现在产业环境已逐渐成熟,RFID厂商日多,类似困扰已然不再,取而代之的则是如何在众多厂商中做出正确选择之考量。


充分整合 彰显系统效益

至於系统导入後的效益,由於其目标在於提升客户的满意度与经销商在场内有效管理车辆动态,皆属於无形效益,目前难以衡量投资报酬率。RFID属於长期投资,整体效益要经过一段时间才会产生,此外使用范围也会决定效益的浮现速度,如果标签的使用数量越多,效益产生就会越快;换言之,如果只有小规模导入,建置初期恐难准确预估投资报酬率,而必须要有长期计画,并整合其他制造管理软体才会看见整体效益。


要在自动化系统中整合RFID,在系统设计时就还要注意几个重点,这可从分为软硬体两端来看,在软体端,RFID只是让讯息产生更为简便的技术,因此所产生讯息被应用的越多,其边际效益就越大,现在智慧化开始普及,制造现场都已有多种IT系统如ERP、MES、SCM、PLM等,RFID必须与这些系统充分整合,效益才会浮现,而在这些系统中,MES将会是目前的主要整合架构。


MES是工厂最重要的IT系统,最主要的功能是透过位於生产线各站的读取器来控制生产排程、纪录生产时间,让制造现场资讯透明化,现在的MES多以条码为读取技术,不过就如前言,条码的人工读取会延滞作业时间,因此采用RFID可以加快作业速度节省时间。


在硬体方面,由於工厂内环境不隹且自动化系统须长时运作,标签与读取器的稳定性与强固性必须多所要求,标签的主要考量来自於封装材质,现在工厂内的标签规格多为可重复读写使用以降低成本,标签贴附位置为生产线的载具上,再将读取器设置於生产线旁进行资料搜集,当换线生产时,厂管人员将载具上的标签卸下,重新编写新资料。


工厂中所有的硬体设备都会被要求以工业等级设计,RFID也不例外,尤其是与生产设备距离极近的标签与读取器,必须面临高低温差、震动、碰撞等恶劣挑战,因此在外观材质挑选必须格外重视,如此一来,才不会因部分因素让自动化系统停摆。


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