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基于物联网技术的智能工厂时代已经到来

  近几年来,只要是从事制造生产业务的企业,都曾听闻某大电子制造业龙头,誓言部署百万机器人大军,终至发展出可关灯生产的无人工厂,随著此一效应推波助澜,已迫使由来许久的自动化工控年代,处于即将迈向智能化工控年代的转折点。

  论及智能工厂,暂且撇开其各方对于此一名词定义之诠释,是否有所不同,事实上,台湾绝大多数的制造业者,不仅都具备智能工厂的雏型,而且存续至今的时程,其实相当久远。

  许多工厂,即使被归类在传统产业,其实早在10年、甚至20年之前,就开始导入自动化,普遍常见的景况是,在前端引进PLC集成控制设备、传感器等装置,后端则布建了具备资料搜集功能的计算机,再运用诸如模糊算法(FuzzyControl)等实时控制方式,借以追求工厂运行之最适化。

  透过此类模式,有助于将原本单工型态的作业环境,藉由中断分时方式,模拟成为多工环境,藉此达到效能提升的效果,某种程度上,要将之称为台湾智能工厂的先驱,其实并未言过其实。

  只不过,若仅借助自动化,多半可使工业制造流程满足效率层面的需求,但假使业者欲随时因应市场需求,亟盼能弹性调整产能、促进空间有效利用,并有效降低生产成本,种种愿景,实已进入智能层面的格局,并无法单纯倚靠自动化技术来加以实现。在此前提下,如何运用有效的智能化手段,继而管理自动化设备,已然成为制造企业不容回避的重大课题,值此盘旋待变的时刻,物联网(TheInternetofThings;IoT)技术即显得相当重要。

  究竟一个植基于物联网技术的智能工厂,大抵呈现何等样貌?首先,在智能工厂环境内部,通常会有一套名为资料采集与监控系统(SCADA)的系统,旨在作为监控及控制所有设备的集中式控制台,假使没有此系统,就会有一群分散在特定区域,并许多系统组合而成的分散式控制系统(DCS)。

  在此之中,绝大部分的前端控制,系由远程终端控制系统(RTU)或PLC负责进行,主系统一般仅肩负系统监控层级的控制任务。举例来说,针对空调系统,即由PLC负责控制主机及冷却水塔的容量与流量,至于SCADA系统,则提供一个可供变更设定的操作机制,俾使操作员改变容量或流量的目标值,一旦将需要告警的条件设定妥善,日后万一出现水位偏低、流量不足乃至于温度过高等情况,PLC或RTU就会运用回授控制的方式,借以控制流量或温度,与此同时,SCADA仍将全程监控系统的整体效能。

  实现智能感测的必备技术

  总括而论,要想建立一个智能工厂情境,先决条件即是让制造流程具备智能判断的能力,而此一能量的来源,基本上来自于仪器、仪表、传感器等控制系统,这些都是不可或缺的基础构成要素。综观近几年来仪器、仪表的智能化发展,主要是以微处理器及人工智能技术为发展主轴,主要是藉由神经网络、遗传算法、进化计算、混沌控制等智能技术,为仪器与仪表增添了高速、高效、多功能、高机动性、高灵活度等特质。

  比方说专家控制系统(ECS),即是一种融合大量专门知识与经验的程序化系统,其透过人工智能与计算机运算技术,足以根据某领域一或多个专家所提供的知识与经验,从而进行推理判断,并模拟人类专家的决策过程,以便能解决一些原本需要专家介入的棘手难题。

  至于模糊控制器(FC-FuzzyController),也是智能工厂相关技术当中,另一个值得瞩目的焦点。模糊控制技术具有处理不确定性、不精确性及模糊信息的实力,意即面对无法建造数学模型的被控过程,往往可适时提供有效控制,解决一些常规控制所鞭长莫及的难题,缘于此故,就工业控制领域而论,模糊控制确实逐渐获得广泛采用。

  当然,IoT蕴含了感测、传输及应用等三个层次,因此意欲实现智能工厂应用,除了建构智能感测机能外,另外也须留意两个重要趋势,一是控制系统的网络化,另一则是工业通信的无线化。首先在于控制系统网络化部分,不可讳言,伴随工厂制造流程所连结的嵌入式设备愈来愈多,以致于最佳的因应之道,就成为透过云端架构来部署控制系统,但值得注意的是,肇因于影像与语音等挟带较大资料量的讯号不断增加,对于传输效率、网络带宽的要求,在在都是严苛考验,只因生产流程容错空间甚小,任何经由网络传递的封包信息,实不容许丝毫闪失,在此情况下,哪里些资料理应优先传送(譬如设备故障讯息),哪里些资料可容后传送(譬如电子邮件),势必都得取决控制系统的智能判断能力。

  有关工业通信无线化,亦是近几年来智能工厂领域之中的热门话题,其之所以备受关注与讨论,乃在于无线技术在部署的便利性上,明显较过往有线技术占有优势,然值得一提的,不管是蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE或WiMAX等无线通信标准,无论在于可靠性、确定性、实时性甚或兼容性等方面,其实都还有进步的空间,因此综观现今以智能功能为诉求的仪器、仪表或其它自动化设备,在内嵌无线传输功能之余,仍无法全然切断其与有线网络技术的脐带。

  凭借智能感测既兴利也可除弊

  无论如何,不管透过何种技术建立智能工厂,终极目的皆在于获得效益,否则台湾制造业屹立国际舞台已非一天两天之前,过去停留在自动化阶段,就已能虎虎生风,何必为了智能化而多此一举。

  事实上,一些开始导入智能感测技术的制造业者,已明显感受到前所未见的好处。例如某家以生产民生用品为主的制造商,即透过布建于生产线前端的传感器,得以精准掌握其所生产的每一项商品,究竟耗用了多少电、水或糖等资源,从而精准估算各项商品的真实成本,终至反应到订价策略,在成本与利润之间找到最佳平衡点,也带动了营运绩效的上扬。

  值得一提的,该公司在精确获悉资源消耗情况之余,也顺势掌握了二氧化碳的排放信息,因而针对政府日后可能施行的碳盘查制度预作准备,对于企业形象,亦具有加分效果。

  另一制造业者,当初导入智能感测技术的初衷,只是为了节约用电成本,然而在运用过程中,其高层主管透过历史数据的分析比对,发现旗下某厂区的一组生产机台,近期耗电量异常飙高,但当时并非生产旺季,机台运转时间并未较平时增加,尤其到了周休二日,高能耗情况仍旧有增无减,种种迹象,显示该机台已呈现不合常理的状态。

  于是乎,这名主管合理怀疑这台设备已经出现故障,才会产生异常耗电现象,接著迅速接洽供应商,请其指派工程师到场检修,结果证实该设备的确有失灵现象,若不尽速加以修复,未来两个月内随时可能停摆,进而对生产作业酿成严重冲击,后果不堪设想,所幸在紧急修复后,一切回归正常,及时遏止一场灾难。

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