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產業技術評析
從2016年德國漢諾威工業展看智慧製造應用發展趨勢
發表日期：2016-05-18
作者：熊治民(工研院IEK)
摘要：
2016年4月25日上午，德國漢諾威地區的天氣詭譎多變，在多雲偶雨的寒冷天氣中，陽光與雪花不時的交互出現。
全文：
一、前言
2016年4月25日上午，德國漢諾威地區的天氣詭譎多變，在多雲偶雨的寒冷天氣中，陽光與雪花不時的交互出現。但是通往漢諾威展覽館的周邊交通卻已經嚴重阻塞，因為全球工業界年度盛事，漢諾威工業展(Hannover Messe 2016)即將開幕。
每年4月舉行的漢諾威工業展是歐洲最大型的工業技術與產品展覽會，內容包括工業零組件承包製造、自動化與數位化、能源，以及創新技術。參展業者除了來自德國與歐洲主要製造國家外，還包括大量亞洲、北美與其他地區國家廠商；並在5天的會展期間吸引數十萬名全球各國專業人士參觀。而自從德國提出工業4.0 (Industry 4.0)議題後，最近幾年的漢諾威工業展幾乎成為德國產學研界最新智慧製造技術與應用方案的最佳展示舞台。在今年的會展中，德國Bosch、SAP、Siemens、Festo、KUKA等主要軟體、硬體與系統發展廠商均展出該公司與工業4.0應用相關的新技術、產品與服務，可從今年漢諾威工業展進一步預測未來幾年智慧製造應用的重要發展趨勢，包括智慧生產系統、機台與關鍵零組件預測性維護(Predictive Maintenance)、協同合作機器人。
二、智慧生產系統
在工業4.0製造體系中，強調透過智慧產品、智慧設備與智慧流程建立智慧生產系統。相較於傳統生產系統，智慧生產系統將具有更高的生產效率與品質穩定性；能以更低的設備、系統與人工成本滿足客戶在大量客製化、少量多樣訂單方面的需求；以及透過多元化、智慧化人機介面，提高人員生產力與工作價值。此外，透過與企業內部其他設備、生產系統、製造執行系統(MES)、企業資源管理系統(ERP)進行連結，能進一步實現垂直價值鏈數位化；這也是工業4.0想要達成的主要目標之一。
在今年的漢諾威展中，Bosch Rexroth(隸屬於Bosch集團)、Festo、SAP、Beckhoff等公司，以及SmartFactoryKL(由德國人工智慧研究中心DFKI主導的智慧工廠技術與產品發展驗證平台組織)、SmartFactory OWL(由德國Fraunhofer研究院及OWL大學共同合作的智慧生產系統研究中心)等研發組織，均進行多項智慧生產系統展示。這些智慧生產系統結合機器人與自動化周邊、RFID與其他感知裝置、機對機(M2M)與物聯網(Internet of Things)、巨量資料(Big Data，或稱為大數據)、擴增實境(AR)等技術，形成具備精實、敏捷、彈性、自適應性與智慧化人機互動特性的新世代生產系統。
例如Bosch Rexroth公司展出的模組化生產系統(Modular production line)，採用模組式箱型工作站架構，讓製造企業能依據實際需求，快速建立具備製造、檢測、組裝(自動與人工)等功能的彈性化生產線(圖1)。並提供以下多種效益：
˙ 以模組化架構增加系統生產彈性。
˙ 藉由即時(Real Time)資料傳輸，讓整體生產系統資訊更透明化。
˙ 藉由大型觸控平面顯示器進行機台運作狀態監控與參數設置，增加生產系統可用性。
˙ 透過RFID、人員手勢動作辨識、組裝資訊即時投影等技術與元件，建立智慧化人工組裝輔助工作站，可提高人工組裝效率與提高品質穩定性。
˙ 使用基於模型之工程技術(Model-based engineering)，讓生產系統在製造新規格產品時能更快速建立必要的控制程序，減少機台閒置時間。
資料來源：工研院IEK(2016/04)
圖1 德國Bosch Rexroth公司模組化生產系統
三、機台與關鍵零組件預測性維護
機械設備維護(Maintenance)是製造體系運作中的重要工作項目；其目的在排除設備故障與避免設備發生故障，以提高機台設備的可用性與效能。在日常生產過程中，如果沒有對設備進行適當維護而發生不預期的故障，可能因為設備與生產線停止運作而導致製造中的半成品報廢及產品交貨延誤。因此設備維護本身就是一項極大的商機。
一般機械設備的維護策略有三種：
˙ 反應性維護(Reactive maintenance)：機器設備發生故障後，依據實際狀況找出故障原因，再進行修護。
˙ 預防性維護(Preventative maintenance)：依據設備製造商的建議時程(頻率)及維護內容來進行設備維護；或是依據既定時程的設備檢視結果來制定設備維護方案。其目的是避免設備在下一次檢視維護前突然發生故障。
˙ 預測性維護(Predictive maintenance)：透過重要設備性能參數與可能導致故障關鍵因素監控，預測機台未來可能發生故障的時間，並依此擬定對正常生產影響最小的設備保養時程。相較於反應性維護與預防性維護，預測維護能透過更合理的維護成本來確保機台設備可用性，避免出現不預期的故障。
然而實施機械設備預測性維護需要運用大量的資料來建立關鍵參數與設備性能、壽命間的關聯性模型。過去製造業會透過有經驗的技師與工程師，藉由檢查設備與重要零組件狀態來推斷機械設備磨損程度，以作為後續保養及是否更換零組件的依據。隨著感測器、物聯網、巨量資料分析、機器學習等資訊技術與應用系統發展，業界可以透過這些新技術對更大量的設備運作資料進行自動化分析處理，並產生設備健康狀態評估報告與預測性維護建議。
今年的漢諾威工業展特別在一個與自動化相關的展館中，設置預測性維護技術與產品專門展示區。主要展示內容包括預測性維護在工具機、大型馬達帶動的裝置軸系、風力發電系統、液壓系統等高價值機械設備與關鍵元件應用。而其他非專門展示區的參展廠商也展出相當多的預測性維護系統與應用。例如SAP與Kaeser Kompressoren應用於空氣壓縮機運作，微軟與Rolls Royce應用於客機噴射引擎。臺灣上銀公司也展出具有預測性維護功能的滾珠螺桿；工業電腦大廠新漢公司則展出可應用於冷凍空調設備與其他機械設備的預測性維護物聯網與雲端平台解決方案。
四、協同合作機器人
德國在建構工業4.0製造生態系統時，非常強調人機共工。因為工業4.0要建立的並不是無人化工廠，而是一方面將單調、重複、危險性高的工作轉為由機器人或自動化設備協助完成，另一方面則透過多元化、智慧化人機介面與決策輔助系統，讓勞工能專注在價值性更高的製程工作上。過去工廠中的機器人需要與人員保持安全距離，以維護生產安全；而在新的智慧生產體系中，機器人則會與人員進行更近距離的接觸與合作。這也是協同合作機器人逐漸成為各國工業機器人廠商關鍵性新產品的主要理由。
在過去幾年的漢諾威工業展中，搭配多種感知周邊與即時資料處理，具備一定協同合作能力的工業機器人一直是展場中的亮點，並吸引大量參觀人潮的注目。今年的漢諾威工業展也不例外，包括Bosch、KUKA、ABB、Kawasaki、THK、pi4_robotics、Rethink Robotics等公司都展出具有人機協同合作能力的雙軸工業機器人。Bosch更以模擬生產線來展示人員與機器人共同進行產品組裝的實際情境(圖2)。
在智慧製造體系中，機器人的使用方式也會越來越多元化。例如KUKA在會場展示以機器手臂自行操作切斷機，將木棒切成需要的大小，再插入到木條的孔洞內，進而完成一個木製圍欄。這也顯示當工業機器人的價格逐漸降低，教導方式日趨簡便之後，將會逐漸從以大企業為主的汽車、3C產品組裝產業，向以中小企為主的零組件與民生商品製造業擴散。
資料來源：工研院IEK(2016/04)
圖2 德國Bosch公司人機共工
五、IEK View
為因應全球市場需求與供應鏈發展趨勢，建立大量客製化與具獲利性的彈性生產能力、縮短新產品研發與製造上市周期，已成為製造企業需要積極建立的新競爭優勢。另一方面，許多國家因為人口結構與青年就業選擇改變，製造業逐漸出現人力缺口，必須提高人員工作價值與建立更能吸引青年加入的製造生產工作模式與環境。在這樣的驅動因素下，許多主要製造國家都企圖透過新的技術與產業發展政策來強化本國製造業競爭力。因此無論是德國工業4.0，美國AMP(Advanced Manufacturing Partnership)，中國製造2025規劃，或是臺灣的生產力4.0推動方案，建立智慧製造生態體系都是各國希望盡速達成的產業發展願景。
從2016年德國漢諾威工業展整體產出內容觀察，可以發現：在歷經數年的努力後，包括智慧生產系統、機台與關鍵零組件預測性維護、操作更簡易的智慧化工業機器人及協同合作機器人等智慧製造應用方案，已經逐漸從示範展示系統轉變為具有實用性的產業應用解決方案。可以預期，在未來幾年內，這些新世代製造系統與應用方案將會快速的在全球製造體系中進行擴散，並逐步實現智慧製造發展與應用願景。
（本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師）
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