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產業技術評析

製造場域5G應用興起
發表日期:2020-09-30
作者:熊治民(工研院)
摘要:
德國工業4.0先驅企業Bosch Rexroth認為:未來工廠的產線與設備配置將具備高度彈性調整特性,以便支持高度客製化產品製造。

全文:

一、製造場域無線通訊應用與5G需求
 

德國工業4.0先驅企業Bosch Rexroth認為:未來工廠的產線與設備配置將具備高度彈性調整特性,以便支持高度客製化產品製造。所以未來的工廠中,只有牆面及屋頂是固定不動的,其他設施都有經常移動的必要(圖1)。為因應這種需求,未來工廠需要高效能、變動彈性大的無線通訊裝置來配合各種可移動式設備。
 

圖1 未來工廠的產線與設備配置將具備高度彈性調整特性

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2020/04)
圖1 未來工廠的產線與設備配置將具備高度彈性調整特性。
 

(一)製造場域無線通訊應用需求
 

目前製造場域的資料傳輸包含有線及無線兩種。有線傳輸的優點是高速、安全及低成本,但是前期施工期長、纜線會占據部分空間及需要維護,以及佈線變動彈性低,則是相對的缺點。
 

在製造場域採用無線通訊的最大優點,是可以擺脫對固定纜線的依賴與限制,讓需要進行資料傳輸的裝置在空間配置上能具有更高的彈性,甚至可以處於隨時移動狀態。但是在實際應用上,製造場域在規劃使用無線通訊方案時,需要考慮多種評估因素,包括:傳輸速度(單位時間資料量)、延遲性、裝置連結數量、穩定性、抗干擾、安全性(包含防爆、電磁安全、資料安全)、建置與維護成本。因此並不是所有的應用都適合或是必須採用無線通訊(表1)。
 

表1 製造場域無線通訊應用需求
使用無線通訊的情境 無線通訊必要性 應用類型範例
通訊主體具移動性(人、載具、組件、產品、工具、模具…)
  • 工廠巡檢資料傳輸
  • AR及其他穿戴裝置應用
  • AGV應用
  • 組件、成品、工具追蹤
固定設備後期追加之通訊主體(外掛感測器、攝影機…) 中~高
  • 機台設備健康狀態診斷
  • 大型工廠環境、管路運作狀態即時監控
通訊主體需要不定期移動(製造、組裝、檢測設備)

為因應客製化生產所建構的彈性配置、模組化生產系統,能配合產品類型作大幅度設備配置調整

通訊主體所處環境不適合鋪設及使用纜線(高溫、油汙、腐蝕環境) 低~中
  • 鋼鐵廠
  • 造船廠
  • 化學原料提煉廠

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2020/02)。
 

(二)製造場域5G通訊應用
 

相較於現行4G通訊技術,5G技術優勢包括:超高頻寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規模通訊(mMTC)。基於這些技術優勢,5G在製造領域的可能應用包括:
 

  • 超高頻寬與高速:遠距資訊擷取,設備預測維護,控制程序自動化與優化,AR應用(生產/組裝/監控/維護),機器視覺應用(線上檢測/場域環境設備與人員安全管理),跨企業供應鏈資訊連結。
  • 大規模通訊:工件/設備/資產追蹤,大規模感測網路應用(產品/設備/廠區環境/人員…管理),產品運作效能監控/優化。
  • 超高可靠度與低延遲:工業機器人雲端控制,自主移動機器人導航與控制,設備/產線/廠區即時監控,設備遠端遙控,設備雲端控制。
     

二、國際製造場域5G應用案例
 

目前國際上已經有許多5G通訊在製造場域的應用案例。特別是像Ericsson、Nokia這類5G硬體設備供應商,除了在本身的製造工廠中導入5G應用方案外,也與其他國家知名廠商(例如汽車廠)合作,測試、驗證各種5G應用。
 

國際知名通訊設備大廠Ericsson,該公司位於瑞士、愛沙尼亞(Estonia)、中國等地的工廠已經導入多種基於無線通訊應用的智慧製造方案。這些應用方案包括:
 

  • 關鍵設備資產追蹤:結合感測裝置及無線通訊,隨時確定關鍵設備資產位置,提高應用與管理效率。
  • 機台即時叫修維護:機台發生故障時能主動通知維護工程師進行處理,節約人員調度時間。
  • 產線效能監控調整:即時蒐集、處理產線運作狀態資料,以做為設備控制調整依據。
  • 高精度工具校準:透過無線通訊蒐集高精度電動手工具實際使用時間,作為安排工具校準排程依據。
  • 物料盒內容物監測:結合壓力感測器及無線通訊,即時掌握物料盒中零件數量。
  • 環境監控:結合感測裝置及無線通訊,隨時提供濕度、溫度等環境資訊。
 

Ericsson與瑞典行動通信服務商Telia公司合作,在Ericsson位於愛沙尼亞首都Tallinn的生產工廠,建立5G區域私有網路,進行相關應用方案測試。主要包括:
 

  • 透過5G連接AGV與控制系統,提供流暢的資料與影像傳輸,包括控制廠區內的門開啟讓AGV通行。
  • 以5G支援AR應用,協助人員進行電路板性能測試與品質檢驗。這些檢測動作需要仰賴員工經驗;透過AR,能協助新進人員快速上線,並將確認產品缺陷的時間縮短50%。
  • 以5G連結廠區內數以千計的感測器,蒐集溫度、濕度、噪音、亮度、二氧化碳濃度等環境資料,並即時傳遞到工廠的控制中心,以確保廠區環境安全。
     

三、臺灣製造場域5G應用案例
 

友嘉集團透過「臺歐雙邊合作計畫Clear5G」,旗下位於新竹湖口工業區的岩田友嘉已在建置5G智慧工廠,預計2020年完成建置並開始營運。岩田友嘉主要從事半導體真空泵零件、精密螺桿空壓機以及塗裝設備的生產。該廠區使用4G、5G進行廠區設備端與企業雲端系統間的資訊、控制連結。應用範疇包括素材檢查、CNC加工、自動拋光、自動洗淨等製程。此外,友嘉也在集團內推動AR應用(圖2)。
 

凌華科技(ADLINK)是協助友嘉集團發展5G應用的合作廠商之一。其技術重點包括結合應用於機器人的工業及控制系統(ROS)、物聯網、雲端與邊緣運算,協助提升機器手臂與AGV、機器學習、彈性化產線控制、機台運作監控與設備維護、品質檢測等應用效能。
 

圖2 友嘉5G未來工廠應用架構

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2020/03)
圖2 友嘉5G未來工廠應用架構。
 

四、結論
 

對臺灣產業來說,5G可改善部分智慧製造應用方案運作效果,能加速智慧製造在產業應用擴散。而製造領域也是5G未來重要的垂直應用領域,可透過相關應用方案推動,協助5G生態系發展。
 

為推動製造領域5G應用發展,需要加速相關工作執行:5G應用之軟硬體與運作環境建構,5G製造應用方案發展與成效評估,配合5G商轉進程展開製造場域測試驗證,驗證5G應用效益及減少業者應用投資風險。
 

從應用成效來看,臺灣值得投入的製造場域5G應用方案包括:基於機器視覺的線上檢測,AR應用(組裝/維護),雲端協作機器人,自主移動機器人(AMR),設備即時監控及預測維護,工廠環境與資產即時監控。
 

配合上述5G應用方案研發,各界需要共同合作建立試驗場域。透過試驗場域,建立、完善以下能協助業者加速導入5G智慧製造應用的關鍵資訊:5G應用架構及投資分析,5G應用方案成效評估及效能影響因子分析,5G應用方案最佳實例。
 

透過前述結合5G的智慧製造整體解決方案研發,及試驗場域建構,將能逐步建立以臺灣廠商為主體的5G智慧製造應用產業生態系。然後藉由產業生態系發展,進一步支持國產5G智慧製造應用方案發展,以及協助將這些應用方案在製造業應用擴散。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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