數位雙胞胎
超前部署數位轉型 西門子虛擬博覽會即將起跑
做為工業4.0的先驅之一,德國工業大廠西門子(Siemens)近幾年一直大力倡導製造業數位轉型。隨著COVID-19疫情在2020年上半突然席捲全球,對企業在真實世界的正常運作造成巨大干擾,原本就已經在力推數位轉型的西門子,一方面迅速調整自己的步伐,同時也更積極地推動各種可協助製造業實現數位轉型的解決方案。即將在8月14日正式上線的數位企業虛擬博覽會(Digital Enterprise Virtual Expo),就是該公司一方面讓自身運作更加數位化,另一方面為台灣製造業介紹更多數位轉型方案的例子。
台灣西門子數位工業將在8月14日起,在線上舉辦為期一個月的數位企業虛擬博覽會,透過虛擬網站呈現該公司最新的技術與應用。該博覽會涵蓋四大主題焦點,分別是AI、工業5G、3D列印與邊緣運算,同時還有導入數位雙胞胎技術協助口罩廠商生產的成功案例影片分享。另外,本次數位企業虛擬博覽會除了發表最新產品和技術外,也精心規劃了數位企業虛擬論壇以及專家講座(Expert Talks) ,集結西門子的產業專家分享一系列最新技術、解決方案和創新應用。
台灣西門子數位工業總經理Tino Hildebrand表示,在後疫情時代,該公司與客戶、經銷商的溝通方式轉變為採用線上的方式進行,西門子首屆數位企業虛擬博覽會匯集各種新穎的科技介紹,讓大家一探人工智慧、大數據、工業5G以及工業雲在自動化領域的應用,並進一步了解如何透過西門子解決方案,協助企業邁向數位化以及智慧製造。
實體論壇走向線上
備受矚目的西門子數位企業虛擬論壇,將介紹最新尖端技術AI、工業5G、3D列印與邊緣運算整合工業領域的應用,以及最新數位化產品,與大家共同探討如何透過創新科技,幫助企業成功打造數位轉型。另外,本次博覽會的重頭戲之一,便是由西門子數位工業精心籌備的Expert Talks專題系列講座,集結西門子產業專家分享一系列最新的技術、解決方案和創新應用。完整呈現西門子解決方案在自動化產業的實際應用,並探討最新趨勢議題,提供相關業者與西門子專家互動的機會。
展示最新趨勢技術應用
本次虛擬博覽會的亮點之一是展示在趨勢議題下西門子的創新技術應用,包含AI、工業5G、工業雲MindSphere以及3D列印技術等應用。其中將呈現AI工業自動化領域之應用,介紹如何搭配西門子SIMATIC S7-1500 TM NPU 實現高效處理類神經網路。另外,工業5G的應用也趨近成熟,如何透過工業5G滿足工業無線通訊需求,也成為本次虛擬博覽會探討的話題和焦點之一。而雲端以及邊緣運算依然是今年炙手可熱的議題之一,西門子將介紹工業雲和邊緣運算的應用,協助客戶快速順暢實現虛實世界連結,並幫助企業發掘數據潛力。而備受矚目的趨勢焦點之一, 3D列印技術也將會在西門子數位企業虛擬博覽展出,近年來3D列印已逐漸改變整個業界的生態,且以年產值23%的速度高速增長,從產品設計到產品製造,再到商業模式,以及新的產業誕生。西門子持續透過數位雙胞胎技術和自動化產品,協助各大積層製造設備製造商邁向生產自動化和數位化。
口罩機廠商導入數位雙胞胎實例分享
全球受到新冠病毒疫情的影響,許多國家對於口罩的需求激增,西門子協助口罩機廠商導入西門子數位化解決方案,運用全方位控制驅動系統模擬軟體,並透過PLCSIM Advanced以及SIMATIC Machine Simulator建置S7-1500T CPU與V90伺服驅動系統的數位雙胞胎,將原機台效能提升50%。機台部分與西門子工業雲MindSphere結合,分析並優化現場資訊,讓製造商充分了解機台資訊,提升數據透明度,並導入西門子數位雙胞胎技術,助力口罩商生產無耳掛口罩,實現口罩製造4.0 。
遠傳/微軟/台達聯手打造全台第一座5G智慧工廠
遠傳電信、台達電子、台灣微軟(Microsoft)宣布,三方將合作打造全國第一個5G智慧工廠。遠傳以「大人物」(大數據、人工智慧、物聯網)專長,搭配5G 80MHz連續頻寬,結合台達創新智慧設備以及微軟雲端實力,於台達桃園龜山廠生產線導入無人搬運車(AGV)、AOI瑕疵檢測設備,以及結合微軟雲端運算、物聯網與混合實境(MR)的遠距廠房管理這三大應用。
混合實境技術將進駐台達位於桃園龜山的台灣第一座5G智慧工廠。(圖片來源:微軟)
根據資策會產業情報研究所(MIC)預估,全球5G製造市場將於2026年成長至420億美元,其中主要應用市場分別為設備監測、AGV/AMR與數位雙胞胎(Digital Twin)。遠傳2017年底即率先啟動全台第一個「NB-IoT物聯網生態圈」,近年積極運用「大人物」專長提供企業解決方案,今年初5G頻譜競標更取得80MHz連續頻寬,持續深耕智慧工廠、智慧醫療、智慧交通、智慧家庭等領域。
整合優勢創造三贏
遠傳總經理井琪表示,該公司自4G時期便已奠定紮實的物聯網應用基礎。在全台引頸期盼5G即將開台的時刻,遠傳早已為5G市場做好準備,將以5G低延遲、大連結的技術特性,擴大未來各產業應用領域。本次與台達、微軟等全球性策略夥伴緊密合作,可望開創電信產業新藍海,並帶動產業進入5G新紀元。
台達資深副總裁暨資通訊基礎設施事業群總經理鄭安指出,台達對智慧城市所需的技術、產品及解決方案都已進行積極布局。在5G供應鏈、智慧樓宇以及智慧工廠領域,台達擁有網通設備、電源管理、能源管理、基礎設施等多面向的應用,這次跟遠傳與微軟兩家夥伴打造全國第一個5G智慧示範場域,便是台達深耕5G產業的具體實踐。
台灣微軟總經理孫基康則認為,5G啟用結合智慧邊緣,無所不在運算(Ubiquitous Computing)已正式到來。5G將會對市場帶來大幅變化,它將透過創造萬物互聯、推進產業變革與創新與加速產業數位轉型,逐步改變各產業的營運模式與結構。智慧製造、智慧零售、智慧城市等各種智慧應用將加速發展。面對5G將帶來的產業革命性創新,台灣微軟將持續運用全球夥伴生態系資源與科技實力,助產業夥伴搶得市場先機。
三強聯手導入三大應用
預計於台達桃園研發中心展示間打造的5G智慧示範場域,將運用的AGV無人搬運車,透過5G訊號與管理平台交換資料,於生產過程中建立智慧物流調度系統,穩定執行物流搬運工作,大幅縮減物料搬運次數以及人力成本,並依據監測資訊即時下達指令,有效提高產能。
台達在智慧產線中率先以三方合作開發的AOI瑕疵檢測設備為示範重點,透過5G高速、低延遲特性,即時傳送製程中檢測產生的巨量高解析度圖片資料,並進行大數據分析,快速遠端調整製程,有助於提高檢測精準度、產品良率與產能。
5G MR遠距廠房管理、維修與監控:去年微軟分別與遠傳及台達簽署全球戰略合作,助遠傳將三大智慧雲服務搭建於微軟Azure上;亦透過部署台達廠房雲端基礎設施、運用AI校準產線良率打造台達智慧工廠。
這次台灣微軟再次發動全球夥伴生態系之資源,嫁接電信與高科技電子製造業領導品牌,實踐台灣第一個5G智慧製造工廠,並於台達廠房中導入Microsoft HoloLens混合實境與IoT Digital Twin,以5G 串接多設備裝置端輸出訊號,背後透過智慧空間技術(Intelligent Spatial Technology),建立3D視覺模擬(3D Visualization Modeling),讓設備資訊全面可視化,實踐遠端廠房管理、維修與監控之應用,並加速智慧製造的進程。
透過遠傳5G智慧工廠專網,於產線布建同一網路,利用5G低延遲特性,資料不需經多節點即可回傳,大幅降低傳輸時間,經由遠傳資安等級設計,更能有效監控網路,提供企業最安全的服務。
專訪Ansys MFEBU產品管理資深總監Steve Pytel 結盟/購併操作強化模擬工具組合
Ansys MFEBU產品管理資深總監Steve Pytel(圖)表示,對產品設計者而言,在產品開發的過程中使用模擬工具,可以帶來加快開發速度、降低原型製作成本等優勢。而在智慧製造、工業4.0等概念興起後,模擬工具也開始被用在建置數位雙胞胎等工作上,成為產品生命週期管理的工具之一。這意味著模擬工具不只被運用在產品開發階段,在整個產品從布署到報廢的整個生命週期中,也扮演著一定的角色。
不過,若單就Pytel主管的產品領域--機構、流體與電子來說,模擬工具最大的價值還是在於加快設計速度跟降低原型建造成本。事實上,除了產品生命週期很短的消費性電子之外,很多原本設計週期很長的產業,例如汽車產業,現在產品開發的時程也被明顯壓縮。
而為了讓設計者有更多工具可用,進一步加快產品設計速度,Ansys在購併與策略結盟上動作頻頻。從2019年至今,已完成Helic跟Granta的購併案。Helic是一家提供電磁串音(Crosstalk)模擬與分析工具的業者,其技術對於發展5G毫米波通訊技術非常關鍵;Granta則是一家材料資料庫公司,提供與各種材料特性有關的資訊給設計者。
除了購併外,Ansys還有其他壯大生態圈的策略,例如近日該公司與Motor Design簽署合作協議,未來Ansys將成為Motor Design旗下Motor-CAD工具的經銷商。Motor-CAD是一款十分普及且簡單易用的馬達設計工具,可以用來計算馬達的電磁場、溫度與性能,再結合Ansys現有的模擬工具,可提供馬達開發者更完整的工具鏈。
Ansys MFEBU產品管理資深總監Steve Pytel認為,產品研發流程對模擬工具的依賴,將不斷提高。
為數位轉型鋪路 西門子強調虛實整合
為有效提升生產線效率及加快市場導入時程,各大製造業導入數位化技術已成為一大趨勢之一,為協助企業數位轉型(Digitalization),西門子提供完善解決方案,更強調虛實整合的重要性。
台灣西門子(Siemens)數位工業總經理Tino Hildebrand表示,其實企業進行數位轉型的過程中,2018年企業的需求到了2019年並沒有太大的改變,一樣是著重在速度、彈性、品質和效率四大要求。企業仍然追求更短的生產時間,應對少樣多量的產品需求必須有更彈性的生產線,同時產品品質和生產效率當然是不能缺少的。
針對這樣的需求,Hildebrand指出,虛實整合是企業在進行數位轉型非常重要的議題。虛實整合可以利用虛擬的製造過程優化真實的製造過程,藉由數位雙胞胎(Digital Twins),又可以分為產品雙胞胎(Product Twin)、生產雙胞胎(Production Twin)和效能雙胞胎(Performance Twin),虛擬化產品的設計、透過電腦管理生產過程以及監控生產效率,讓機台的生產和整個工廠生產鏈的控管更有效率,也更節省成本,而無須受到硬體的限制。西門子提供完整的解決方案協助企業在所有環節進行虛實整合及數位轉型。
Hildebrand進一步說明,數位雙胞胎並不是新的概念,但2019年比較特別的是針對產品週期短的製造商也有完整的整合方案。舉例來說,西門子的一個客戶是手機製造商,手機的產品生命週期是很短的,應用數位雙胞胎技術,該廠商同時在中國設有手機硬體製造的設備,在德國也有做軟體的開發、編程和實測。利用數位雙胞胎,就可以同時進行硬體的製造和軟體的開發,大幅減短產品上市時間。
另外,Hildebrand也提到,西門子除了在自動化領域,在數位化領域也是投入了大量心血。西門子的機械手臂整合了人工智慧(AI)的應用,利用攝影機的影像辨識功能判別物件,藉此減少編程的時間。過去為了讓機械手臂辨識不同的物件,需要透過大量不同的程式對物件進行辨識,只要稍有不同就無法成功辨別。但是使用人工智慧技術就可以很彈性地操作,利用機器學習(ML)的神經網路,只要是學習過的物件,即使大小不同,或顏色有落差,只要是類似的物件,就可以處理。減少編程時間加速製程,同時讓生產更彈性,滿足市場需求。
西門子展示結合機電一體化概念設計(MCD)之數位雙胞胎機台。
模擬工具新功能源源不絕 馬達設計/維運添利器
對許多工廠來說,馬達是生產線中最重要的核心組件之一。倘若馬達無預警故障或出現嚴重異常,整條產線就可能會因而停擺。有鑑於此,在感測技術越來越成熟的情況下,很多馬達大廠都已經開始為自家產品加裝額外的感測器,以便掌握跟馬達異常/故障相關的跡象,提早做出因應或調整維修排程。
而隨著馬達運作過程中所收集的相關資料越來越多,加上馬達在設計開發時,多少都已經透過模擬工具建置好數位模型,不少馬達大廠已正在嘗試將真實世界所收集到的資料反饋回數位模型,觀察模型的反應,藉此預估在真實世界中的馬達將會在何種條件、狀況下出現故障,馬達核心零件還剩下多少預期壽命等。這種運用方法,讓原本只用在馬達設計研發階段的數位模型,進一步升級為數位雙胞胎,為馬達製造商跟馬達使用者帶來更高的附加價值。
走向數位雙胞胎將成大勢所趨
安矽思(Ansys) EBU產品經理Marius Rosu(圖1)指出,對馬達產業而言,建置數位雙胞胎將是未來一個非常重要的趨勢。在數位雙胞胎的協助之下,馬達製造商跟用戶可以更精準地預測馬達何時會發生故障,並對故障原因進行深入分析。對馬達使用者而言,這意味著自身的營運可以進一步最佳化,減少不必要的停機維修排程以及備料庫存;對馬達製造商來說,有了數位雙胞胎,也有助於減少保固成本,甚至進一步發展出更多跟後續服務有關的新商業模式。
圖1 安矽思EBU產品經理Marius Rosu表示,馬達產業導入數位雙胞胎,將可帶來製造商與用戶雙贏的局面。
也因為數位雙胞胎將是未來趨勢,Ansys針對數位雙胞胎的建置需求,推出專用的Twin Builder工具,以協助工程師加快數位雙胞胎的建置作業。在Twin Builder的工作流程中(圖2),引入了經過驗證的3D物理降階模型,以降低建構數位雙胞胎所需的運算能力。這點對加快數位雙胞胎的建置速度十分關鍵。
圖2 Twin Builder工作流程
高精細度的3D物理模型雖然精準,但運算執行的時間也會更耗時,並占用更多儲存空間。合理地對模型進行降階,可以在確保準確度的前提下,把運算執行時間加快10倍,甚至100倍。目前Twin Builder支援的降階模型可分成三大類,分別是線性、靜態非線性與動態非線性。
同時,在布署階段,Twin Builder也讓數位雙胞胎連接到工業物聯網平台的作業變得更輕鬆,除了本身可以輸出適合雲端布署的數位雙胞胎外,還可以無縫連接到PTC、奇異電氣(GE)的Predix與思愛普(SAP)的工業物聯網平台。
目前Twin Builder除了已經運用在馬達設備外,在空壓機等設備,也都有應用實例。
提高馬達整體品質 NVH應納入設計考量
除了數位雙胞胎之外,如何改善馬達噪音(Noise)、振動(Vibration)與運轉不平順(Harshness),也是馬達業界持續面對的議題。特別是在電動車應用崛起之後,NVH在馬達領域獲得更多重視,因為馬達的NVH不僅會影響車內乘客的舒適感,同時也會影響到馬達的壽命。
Rosu表示,要改善馬達的NVH問題,可以使用的模擬工具可大致分成電磁場模擬、共振/聲學模擬與聲音的重現、分析及設計。其中,電磁場或馬達本體的設計不良,是馬達NVH問題的核心,包含電磁場的不均衡、轉子與定子的軸心不一致等,都是電磁場分析工具可以解決的問題(圖3)。
圖3 馬達NVH問題模擬流程圖
不過,電磁場本身不會產生噪音跟振動,機械結構才會。因此,如果要改善馬達的NVH問題,設計者還需要進一步對機械結構進行共振跟聲學模擬。這類的模擬涉及多重物理模擬,必須把電磁場、機械結構跟聲音同步納入,才能獲得完整的模擬結果。而這也是Ansys解決方案的強項--在一套工具內,可以用很順暢的流程完成複雜的多重物理模擬。
最後,馬達工程師都清楚,NVH問題是不可能徹底解決的,因為馬達運轉時一定會產生振動跟聲音。因此,工程師能做的,是把噪音跟振動控制在合理可接受的範圍內,而這就牽涉到聲音的重現跟分析,進而在設計階段就確保馬達發出的聲音/振動,是使用者可以接受的。
Ansys在2018年購併的Optis跟Genesis Acoustics,就是分別針對光及聲音的重現、模擬與分析的專家。藉由這兩項購併,現在Ansys針對光與聲音,能提供更完整的模擬解決方案。馬達的NVH問題屬於聲音領域,以往的模擬工具頂多做到頻譜分析,讓聲音訊號可視化,但聲音終究是要靠耳朵聽的,因此,如果能把頻譜資料再生成聲音,讓設計工程師「耳聽為憑」,可以創造很大的價值。
現在Ansys的工具已經可以將聲音的頻譜資料轉換成可再生的聲音檔案,讓設計工程師親耳聽到聲音的響度跟尖銳度。這使得工程師可以用更直覺的方式體驗到馬達運轉的狀況,進而謀求對應的改善對策,例如把聲音響度/頻率的峰值往下壓,讓馬達運轉的噪音變得比較好聽一些。
模擬工具將成馬達產業創新的基石
在本次技術論壇中,除了Ansys的專家介紹了跟馬達相關的最新模擬工具及其功能外,還有成功大學跟中山大學等學術研究機構,分別發表了以Ansys模擬工具為基礎的機器學習(ML)馬達故障檢測,以及性能遠優於現有外骨骼機器人馬達的新型馬達。這些馬達領域的技術創新,都與模擬工具有著密不可分的關係。
也因為模擬工具越來越成熟,讓這些來自學術界的研究團隊,可以在更安全、更低成本、更快速的前提下,完成其研究專題。這些案例也顯示,未來馬達領域的創新跟突破,將建立在馬達相關模擬工具的基礎之上。
Edge AI助力 2022年智慧製造市場規模逼近3,700億美元
隨著消費端走向客製自主消費、製造端面臨缺工問題日甚,促使製造業須具備能適應快速多變且多元環境的能力,製造系統變得較過往而言更加複雜。而拜新技術成熟發展所賜,製造業現今可藉由部署先進的感測技術並結合AI演算法、導入機器人等科技,進而提高資訊可視化及系統可控性,進一步推升工業4.0智慧製造的發展。根據TrendForce旗下拓墣產業研究院預估,2022年全球智慧製造的市場規模將會逼近3,700億美元,年複合成長率達10.7%。
奠基於虛實整合的基礎,智慧製造在應用端相當多元,從規模較大的智慧工廠、智慧供應鏈、現場災害回復,乃至自動物流車、簡易型機器手臂等皆是使用案例。綜觀2019年產業動態與德國漢諾威工業展(Hannover Messe)等指標性活動,現行智慧製造以協作機器人(Cobot)、數位雙胞胎(Digital Twin)、預測性維護(PdM)、無人機、製造執行系統(MES)、AI應用等為發展焦點,Universal Robots、Siemens、STMicroelectronics、Xilinx、GE等廠商亦持續推陳出新強化布局。
鑒於智慧製造帶出的龐大數據量將排山倒海湧向企業,延遲性與頻寬成本已讓製造業從雲端技術逐漸轉向邊緣運算。而數據海量化、分析精準化以及硬體高效化等三大驅動力也使AI從雲端往終端設備邁進,推升邊緣結合AI的趨勢。
Edge邊緣運算處理是具地緣關係的AI運算,透過於靠近數據產生源處進行收集處理,並結合參數學習等AI技術讓設備能做到缺陷即時偵測、使用狀況預判等用途,讓機器不需時時聯網、減少運算資源,仍能具備部分決策力與即時反應力,成為預測性維護的重要基礎,同時亦可強化工業機器人的即時協作。而將資料留在當地取代回傳雲端,也更能滿足製造業提升數據資安與隱私的需求。
智慧製造與Edge AI的連結為製造業帶來即時決策、降低成本、營運可靠及提高安全等優勢,也使精密機械蛻變為名副其實的智慧系統。現行從晶片大廠NVIDIA、Intel、Qualcomm、NXP,乃至雲端龍頭AWS、Google、Microsoft等皆積極投入該領域。台廠若要切入Edge AI的市場,考量產業優勢及政府資源挹注,晶片仍是最好發揮的著力點,並成為串連上下游廠商的發動機。
從自動化到智動化,TrendForce指出,工業4.0的浪潮持續推動企業數位轉型,物聯網、大數據、機器人等技術也成為打造智慧製造的重要節點。然而,不論是工業物聯網布建、智慧製造的導入、抑或智慧工廠的建置,由於耗時較長且所費不貲,對企業而言皆非一蹴可幾,在佈署及執行過程中可透過工業物聯網聯盟(IIC)等組織提出的工具來評估自身的成熟度,進而調整步調與方向,如根據基礎設施的完成度來選擇被動性維護、預防性維護、以及預測性維護的採用。
智慧城市2023年投資支出達1,890億美元
產業研究機構國際數據公司(IDC)研究顯示,2023年智慧城市計劃的全球支出將達到1,895億美元。主要花費在彈性能源和基礎建設項目,其次是數據驅動的公共安全和智慧運輸。總體而言,這些優先領域將占2019~2023年預測中所有智慧城市支出的一半以上。
IDC指出,雖然智慧電網和智慧電表投資仍占智慧城市支出的很大一部分,但其他領域的成長更為強勁,涉及智慧交通和公共安全,以及與平台相關的案例和數位雙胞胎在全球智慧城市的發展中越來越普遍。在預測期內將獲得最多支出的應用與主要戰略優先事項緊密結合:智慧電網、安全監控、先進公共交通、智慧戶外照明和智慧交通管理。這五個應用將占2019年所有智慧城市消費的一半以上,儘管到2023年它們的比重將有所下降。五年預測中支出成長最快的應用是車聯網(V2X)聯結、數位雙胞胎和穿戴式設備。
在虛擬新加坡專案的推動下,新加坡仍將是智慧城市計劃的最大投資者。紐約市將是第二大支出,其次是東京和倫敦。北京和上海基本上排在第5位。在區域發展上,美國、西歐和中國將占整個預測中所有智慧城市消費的70%以上。日本,中東和非洲(MEA)的智慧城市消費成長最快,年複合成長率約為21%。
標準化/新概念導入並進 工具機產業展開數位轉型
2019年台北國際工具機展是觀察台灣工具機產業發展趨勢的重要指標,作為智慧製造後進者的台灣廠商,試圖用標準化的做法切入,德系兩大領導廠商--博世集團(Bosch)與西門子(Siemens),則已經跳脫純工具機的範疇,談整廠生產線的全面數位化與自動化。
軟體整合標準問世 助工具機產業邁向智慧製造
為加速工具機產業實現智慧製造,智慧製造聯網數據加值聯盟(SMDVA)發表「智能化工具機軟體整合標準」,此標準讓工具機擁有共同的數據傳輸標準、解決工具機無法互相聯網的窘境,有益機台智慧生產。該標準整合工業物聯網國際主流標準「OPC統一架構(OPC UA),以及參考德國工具機製造公會(VDW)標準,並加入台灣產業界需求,協助台灣工具機接軌國際標準、提高競爭力。
根據市調機構MarketsandMarkets的資料顯示,全球智慧製造市場規模預計到2023年將成長至2,990億美元,2018年至2023年的複合年增長率(CAGR)為11.9%,智慧製造商機龐大。因應未來趨勢,製造業希望導入工業物聯網(IIoT)技術,提高生產效率、降低成本,推動智慧生產提高競爭力。
對此,智慧製造聯網數據加值聯盟首任會長暨工研院機械所所長胡竹生表示,過去工具機產業沒有共通的數據傳輸標準,僅由工具機控制器商或工具機廠,各自建立數據傳輸標準,不同品牌或型號的機台彼此各說各話、無法互相溝通,不利產業發展工業物聯網。為解決上述問題,聯盟開發「智能化工具機軟體整合標準」,讓不同工具機及上層監控系統有共同語言來交換資訊,彼此聯網進行直接雙向的溝通,協助傳統製造業升級,迎向智慧製造。
胡竹生進一步說明,智能化工具機軟體整合標準的優勢是採用國際主流的OPC UA作為數據傳輸標準、更參考德國工具機製造公會的標準及加入台灣產業界需求,由聯盟與國內業者合作所開發出的資訊模型。工具機導入此標準後,能顯示跟蒐集不同機台的聯網資訊,如機台名稱、即時運作狀態和實際參數、壓力、溫度等,省去人工輸入參數排程的繁複手續,有助讓機台自動智慧參數調校與優化,提升製造效率和品質,以因應新世代少量多樣的訂單需求。
新代科技公司總經理蔡尤鏗則指出,雖然台灣目前在全球設備或零組件供應鏈中,扮演舉足輕重的角色,但對於過程資訊的串聯和分析,卻仍然十分薄弱。其中「共通資訊模型的訂定」及「應用生態系」的建立,是目前最迫切需要的。而智慧聯網聯盟的連結和成果,就是希望可以補足「共通資訊模型」的不足,讓溝通成為標準化,並接軌國際。
蔡尤鏗認為,台廠中小企業眾多,開發能量相對分散,因此如何吸取國際經驗並發揮綜效,建立「應用生態系」,快速累積經驗,是最可行的路。相信透過聯盟整合產學研,可以讓台灣智慧製造的整體應用水平快速向上提升。
據悉,目前聯盟免費開放業者使用智能化工具機軟體整合標準,並預計將此標準先由工具機控制器商開始試用,未來將進一步推廣至下游的工具機業者,目前工具機控制器廠商新代公司已導入此標準,並結合研華WISE-PaaS平台,期許藉此提升生產效益,快速邁向工業4.0。
驅動/物聯方案齊發 光寶力拓工控市場
為擴展工控市場版圖,並提升競爭優勢,光寶科技未來將聚焦驅動控制技術,2019年除將陸續發布變頻器、伺服器、運動控制器等新品外,也將透過工業物聯網(IIoT)解決方案,協助製造業者順利走向轉型「智慧智造」的第一哩路。
光寶科技工業自動化事業部總經理鄭智峰(圖1)表示,光寶於2014年成立工業自動化事業部門,在過去五年的時間裡,該公司已經形成變頻器、伺服系統、人機介面(HMI)和運動控制器在內的一系列相對完善的自動化產品體系。而面對競爭激烈的工業自動化市場,該公司有一定的電源和驅動技術經驗,同時也有許多工廠可進行自動化產品的先行驗證和測試;這些都是光寶科技的基礎優勢,而未來該公司聚焦驅動控制技術,投入更多資源於驅動控制產品開發,提升其性能及功能,藉此提升競爭優勢。
圖1 光寶科技工業自動化事業部總經理鄭智峰表示,光寶除了推出硬體,也將從服務的角度切入智慧製造市場。
像是光寶科技近日便發布全新ISA-7X伺服系統,整套系統包括伺服驅動器、伺服馬達、電纜及相關配件,功率範圍從100W至2kW,產品功能齊全,性能優異,可滿足包裝、3C、紡織機械等不同產業應用需求。
據悉,ISA-7X伺服系統之濾波功能能抑制機械振動,其內建的ISA-Pro調試軟體,可讓參數設置及調試更加便捷,方便使用;且速度頻響能達到1kHz,滿足高響應要求,並支持最高4MHz差分脈衝輸入、Modbus總線通訊編碼器分辨率高達20位,實現高精度定位。
至於安裝後的維護,因ISA-7X可耐受較寬的電壓輸入範圍,適應電壓波動較大的環境,ISA-Pro軟體並可監控與蒐集資訊,便於故障排除;系統並內建MSC功能?制動電阻及電子凸輪功能,不需要專業運動控制器及額外的制動電阻,讓中小型企業能夠節省成本。
另一方面,光寶科技除了將陸續推出變頻器、伺服驅動器、伺服馬達、可程式控制器、HMI等工控產品搶攻市場商機之外,為協助製造業者能順利跨進「智慧智造」,也於今年推出基於硬體產品和軟體服務的整套IIoT解決方案。
光寶指出,此一IIoT解決方案不光只是提供軟硬體產品,更多的還是「服務」製造業者踏入「智造」領域;也就是提供整體的規畫,從機台聯網到數據採集、數據呈現及數據分析等。換言之,透過IIoT方案的協助,製造業者可以更清楚的瞭解其生產過程所產生出來的數據及資料如何為他所用。
鄭智峰說明,企業經營不再只是一場有限賽局,像籃球賽或棋局,競爭對手、遊戲規則、勝負結果一目了然。如今企業經營已轉變為『無限賽局(The Infinite Game),也就是所面對的挑戰沒有終點,企業須具備長期持續參賽的資格,才是經營之道;而光寶將聚焦驅動控制技術、IIoT方案,並以靈活彈性的營運策略,布局全球工控市場,迎接無限賽局的挑戰。
也因此,除了持續提供軟硬體新品和服務之外,光寶科技也致力打造更完善的經銷商體制。光寶科技全球經銷商管理暨業務資深處長陳子健舉例,當客戶機台出貨至海外,電控零件發生故障情況時,多數業者均無法提供當地的即時支援服務,而光寶透過完善之經銷商體制,不僅能提供即時服務,也在機台出貨前,就提供終端使用者完整的諮詢服務,做到預防管理,目前該公司全球經銷商據點已涵蓋全球美、歐、亞、非四大洲。
西門子力推工具機數位轉型
在本次工具機展中,西門子數位工廠事業部工具機處以「數位智造 刻不容緩」為主題,展示出工具機業者以及使用者在各個流程中所需的軟體虛實整合,MindSphere雲端平台、Shopfloor的連線整合以及SINUMERIK 針對加工製造的完整數位應用場景。同時,西門子也強調,工具機產業走向數位智造的時機已經成熟,相關業者不能再心存觀望,而是該立刻採取行動。
數位化的過程永無止盡。過去幾年來,工具機業數位化的關鍵議題多半是關於技術性機會以及應用範圍的基礎問題。這不僅適用於組織內部的流程,也能用於供應商、製造商與客戶的加值網路上。此外,數位化顯然是提高生產力和效率的最重要因素。
台灣西門子數位工廠與製程工業暨驅動科技事業部總經理席德塱(Tino Hildebrand)表示,數位化專案的主要挑戰在於,專案雖然可以逐步施行但不能被獨立看待。畢竟,唯有將解決方案和製程視為一體,才能產生最大附加價值。為此,從設計、規劃、工程、執行到服務,西門子為工具機業者以及使用者的整體價值鏈提供了全方位數位化產品組合與服務。
西門子提供一致性且整合的數位平台組合及各種專門針對工具機產業的應用,清楚描繪出如何從工具機一路到公司管理階層無縫地執行數位化。就工具機建造商而言,數位化服務從機台概念及工程規劃開始一直延伸至調試及服務。就機台操作者而言,各種數位化解決方案涵蓋整個價值鏈,從產品開發及生產規劃到實際生產與數位服務。憑藉此方式,西門子利用數位雙胞胎將工具機建造商與機台操作者的真實流程鏈以整合的方式模擬呈現至虛擬世界的公司(圖2)。
圖2 西門子與快捷機械聯合展示五軸精密加工機台,同步整合NX virtual machine展出數位雙胞胎功能。
如今,工具機產業已進入數位轉型的下一階段。「刻不容緩!」這句話是西門子和客戶強調的關鍵訊息。西門子特別針對工具機業者以及使用者展示在各個流程中所需的軟體虛實整合,MindSphere 雲端平台、Shopfloor的連線整合以及SINUMERIK場景應用。
5G網路貫串 博世分享移動工廠概念
博世集團(Bosch)旗下博世力士樂(Rexroth)在本屆工具機展中,則是以未來工廠做為主力概念。該公司在全球已有100多個工業4.0專案,並在實踐的過程中意識到,傳統製造模式的固定價值流,在面對未來跨界生產的市場需求時有其局限性。因此,針對未來跨產業生產的市場需求推出「未來工廠」創新製造模式。
未來工廠的設計打破了傳統局限,以智慧空間、移動設備和虛擬應用作為三大核心元素。智慧空間基於生產設備之間的5G即時通訊,採用感應式充電系統提供電源,可節省工廠的人力及成本。移動設備基於內部物流及生產流程等業務理念,讓所有生產設備皆可移動,且可依照生產任務而重新排列組合。
虛擬應用基於未來訂單都將數位虛擬化所提供的解決方案,博世力士樂已為許多自動化系統元件創建了行為模組,例如虛擬CNC控制器、軟體操作面板及3D全像整合量測系統IMS都可依據客戶的需求調整,有效實現數位價值流。
未來工廠的概念是探索更多能提升工業4.0應用的可能性。工業4.0可有效提升產品品質、控制生產成本及縮短交貨週期。為符合客戶不同的需求,本次也展出廣泛的工業4.0相關應用。全能型MTX micro CNC控制器為緊湊型數控系統,多軸雙通道控制功能,多元且可高度客製化的NC功能,具開放的PLC界面以及簡約外觀,支援多種加工方式,為實踐高品質機台及追求工業4.0所必備的全能型控制器,適用於中小型的工具機的解決方案,此次MTX micro CNC控制器將應用於現場的滾齒機上(圖3)。
圖3 博世力士樂雖然在展場上還是以產品做為展示主軸,但在與產業界溝通時,已經開始強打5G內網結合工具機,實現機台自由移動調度的未來工廠概念。
博世力士樂特別展出於2018年首次亮相漢諾威工業展的多軸搬運系統及3D全像整合量測系統IMS。多軸搬運系統具互動式的虛擬應用程式,進而提升動態性能與高定位精準度。藉由線性傳動系統傳輸不同顏色的滾珠,呈現直線運動系統的整體模組系統,多種搬運上的應用皆可透過此產品組合輕鬆實現。
Digital Twin創造企業價值 製造業/服務業優先導入
隨著數位科技技術越來越成熟,企業導入數位科技的比重越來越高。IDC調查發現全球前2000大企業中有70%的比例已投資物聯網解決方案,人工智慧(AI)投資占比亦逐年增加,此對於未來企業走入Digital Twin概念建立良好基礎,並且將由製造業以及服務業優先開始導入Digital Twin技術應用。
IDC台灣區跨產品與顧問服務資深市場分析師蔡亦真表示,由於目前製造業的少量多樣開發需求越來越多,開發時程與交期也越來越短;Digital Twin技術能協助製造業在不添加硬體設備的狀況下,減少30%的工作量並提升30%的企業營收。目前,在製造業的Digital Twin模型已逐漸成熟,預期到了2020年,在全球前一千大企業中,將有30%的企業導入Digital Twin技術,而其中製造業預估將占60%。
Digital Twin強調透過感測器的資訊蒐集,導入過往數據分析與在虛擬世界中模擬,達到虛實技術間的融合,此對於企業在管理,溝通,協作, 以及預測上都有所助益。目前該應用在製造業已逐漸成形,預期將解決製造業「大量生產」與「客製化」之間的不協調,並增加生產效率與節省成本。
另外,蔡亦真亦指出,除了製造業應用之外,在未來Digital Twin技術也將導入服務業應用。對於服務業而言,Digital Twin能協助業者掌握客戶喜好,並且分析購物體驗,進一步可提升消費者在任何分店的購物品質。透過Digital Twin,服務業可優化客戶體驗、提升服務效率和維持穩定的服務品質。
IDC預測2019年台灣市場中,製造業將逐步導入Digital Twin,目前台灣企業落在第一階段(Digital Visualization)和第二階段(Digital Development),僅達公司內部管理或是部門數位化為主,預計未來將逐步應用Digital Twin朝向完善企業本身的生態系統並增進生態系統之間的協作(Digital Twin Orchestration)能力。藉此,企業將在不增加設備的情況下,達到同步協作、提升營運效能和掌握並預測未來動態,創造企業核心價值。
數位連續性/數位雙胞胎新思維發酵 智慧製造應用加速落地
無論是將其稱為工業4.0還是「智慧製造」,全球專家都一同在關注如何從智慧設備中獲得資料並加以分析,進而改善他們的產品以及製造產品的過程。這種方法的優勢包括提高效率與降低成本,並且能夠透過個性化解決方案迅速回應市場波動。
然而,在這場工業4.0的長跑中,許多製造商都被自家資料作繭自縛。儘管這些老舊過時的系統在部署之初代表了當時最先進的水準,但它們的資料通常必須在下游的某個系統或多個系統中重新建造。因此導致資料複製和不一致性對深度分析資料造成了阻礙,也為現代製造業帶來各種弊端。
「數位連續性」是此症狀的解藥,現在的所有權模組(Ownership Model)、燃料種類與駕駛自主程度發展快速,推動汽車製造商應對日益繁雜的產品組合,因此數位連續性的概念成為了關鍵。
數位連續性是我們在21世紀的數位世界中所需要的核心特色。如果我們毫不知情地使用已被新設計淘汰的版本,代價將會十分慘痛。如果生產部門明知道設計無法被正確製造或以合理成本製造,那麼工程部門遞交設計時也將同樣付出慘痛代價。如果我們對機械設備之間的溝通毫不知情,那麼將會造成重大製造事故。
孤立性資料使產業價值鏈複雜化
據麻州一間專門分析數位轉型的商業諮詢公司LNS Research表示,所有類型的製造商都已意識到目前的難題。在2015年「The Global State of Manufacturing Operations Management Software: Weaving the Digital Thread Across Industrial Value Chains」的研究中,LNS對北美、歐洲和亞太各種規模的離散式與流程型製造商進行了調查。
研究發現,受訪者反映最多的兩大營運難題都與數位連續性的斷層直接相關。48%的受訪者表示部門之間缺乏合作,而39%的受訪者表示離散式系統與資料來源之間欠缺互通。
約38%的受訪者認為,供應和需求鏈之間的合作困難,因為製造業表現指標的即時透明度不足,缺乏持續改進的文化與流程,而數位連續性有機會解決以上所有難題。
LNS研究亦指出,在持續不斷的資訊流支援下,來自各部機構的營運決策,如品質問題、資產管理、會議耗材、客戶意見等資訊,都能支援訪問並與相關企業及部門具體決策合為一體,促進生產力、品質、利潤等關鍵績效指標的總體提升。
原有系統差異性造成資料混淆
前福特汽車全球製造部執行副總裁暨現任佛州麥爾茲堡獨立汽車諮詢顧問John Fleming指出,隨著工業4.0被廣泛接受,汽車產業認識到原本系統所帶來的難題,但尋求臨時解決方案的想法仍然強烈。
重要系統的異動帶來成本和投資方面的問題,往往造成不夠周全的決策。根據現代技術而言,我們是否付出足夠的努力去辨別技術能為哪些領域帶來機遇?有時候人們並未完全理解那些商業案例。
風險的威脅也是持續不斷,汽車製造商無法承擔採用不同機制結果卻一敗塗地的代價,他們面臨極大的壓力,所以和完全顛覆現有方式相比,淺嚐即止的改變較為容易。然而,仍有許多人認為先完成產品開發,再給製造部人員生產同樣可行。
數位連續性保障資訊完整
數位連續性能夠打造出一套獨特、權威且具一致性的資料來源,貫穿從概念到設計、工程開發、製造與售後服務的整個產品生命週期。
數位連續性背後的理念在於,仍然保持由產品開發到產品營運和支援的時序進展,然而各階段中的資訊能夠實現相互整合。例如在產品開發階段,產品的設計不僅需要滿足功能要求,還要符合可製造性與可支援性。有關實際可製造性的資訊回饋到工程開發階段,便於解決未來潛在的製造可行性問題;有關產品實際效能的資訊回饋到工程開發和製造階段,便於改進對產品及其製造可行性的評估。
數位連續性能帶來巨大影響的一個領域就是資訊保障。如果經銷商需要為消費者進行零件替換,他們要向製造商收費,而製造商又要向供應商收費。現在的問題在於,如何能夠運用現場的數據,不僅要用於成本調整與會計,還要將數據發回零件開發流程。這樣製造商的下一代產品就不會發生同樣的品質問題。
幸運的是,藉由推動數位轉型的技術實現數位連續性已不再困難。由於能夠和汽車製造商已部署的原有系統平穩交流,此類技術還能避免風險因素。
例如,精密的數位平台現在已搭載了強大的搜尋引擎,能同時運用原有系統中儲存的結構化與非結構化資訊,該平台可搜尋企業所有系統的相關資訊,在編譯之後以資料和預測分析的形式呈現給客戶。無論是來自OEM或供應鏈合作夥伴的授權使用者,都能看到同樣的資料,並針對每個人的具體功能需求調整格式。隨著下游產生的變動,呈現給使用者的資料也會不斷更新,進而確保數據的準確性與時效性。
以傳統方式手動蒐集數據並針對關鍵利益方傳遞分享,這種方式不但無法持續且收益迅速減少。現在的技術可支援涵蓋由設計到工程開發、製造、傳遞及服務的整個產品生命週期資訊整合,能夠採用比以往更快、更準確和更高效率的方式,透過一個數位化模型將可運用的即時資訊傳送給需要的部門。
數位雙胞胎改善企業營運
另一方面,現今有遠見的企業也正以「數位雙胞胎(Digital Twins)」的方式運用營運數據及虛擬模型。
世界各地的製造商在設備中納入感測器與通訊功能,用於即時資料的蒐集。其中,最先進的設備可以將採集到的資料提供給分析師所稱的數位雙胞胎,在使用中的設備和用於開發這些設備的3D模擬之間形成即時回饋迴路。對於如何將此構想運用在改進善客戶體驗,本文亦針對幾家公司進行了研究調查。
由芬蘭動力系統大廠瓦錫蘭(Wärtsilä)設計和製造的四衝程柴油發動機能為70個國家的遠洋貨輪和遊輪提供動力。瓦錫蘭發動機的壽命通常為25~30年,為世界上最大型的發動機。2015年版「金氏世界紀錄」也將瓦錫蘭發動機認證為世界最高效率的發動機。
而瓦錫蘭是如何做到的?於上世紀70年代初,瓦錫蘭就意識到每台巨型發動機構建物理原型(用於發現和杜絕錯誤)的成本非常昂貴。因此該公司率先採用了先進的3D建模和模擬技術,實現了能夠「一次性成功」製造的發動機設計。
瓦錫蘭數位設計平台經理Juho Könnö表示,船艇產業採用模擬的是一種水到渠成的發展方式,模擬在很大程度上就是不斷地逼近現實,運用模擬時,可以更理解產品以及真正需要關注的問題。
今日,瓦錫蘭利用安裝在每台新發動機上數百個感測器所提供的現實效能數據,不斷強化自身模型與模擬,創建出重現實際工作條件下的數位雙胞胎模擬(圖1)。在使用支持科學準確性的3D模擬時,此類數據能夠幫助力瓦錫蘭的專家顯示具體發動機的使用方式並操作「假設」場景,尋求改善效能的機會。根據分析,瓦錫蘭能夠提出設置和操作參數的調整建議,幫助船商更順利的操作自己的發動機。
圖1 瓦錫蘭利用安裝在每台新發動機上數百個感測器所提供的現實效能數據,不斷強化自身模型與模擬,創建出數位雙胞胎。
另外,瓦錫蘭還能將已確認的設計改進並納入未來的發動機設計。Könnö表示,從實體發動機取得資料對開發模擬而言至關重要,儘量運用模擬去調整校正發動機。相反地,該公司還利用模擬模型探索發動機哪些地方適合測量參數,這是一種相輔相成的應用。
數位雙胞胎已成趨勢
在全球各地,其他創新型企業也正在努力將自身產業達到類似的應用水準。透過將迅速增強的運算能力、配備感測器的機械設備和透過物聯網實現的即時資料採集與分析結合在一起。這些企業正將智慧3D模擬提升到新的水準,大幅度改進設計和建造流程、製造環境以及客戶互動的成效。
因此,資訊技術諮詢公司Gartner將「數位雙胞胎」評為2017年十大戰略科技發展趨勢之一。「數位雙胞胎」概念即透過各種先進軟體工具的使用,在虛擬環境下真實再現客觀世界的場景,透過強大的模擬技術來進行模擬、驗證,盡可能取代傳統比件進行驗證的方式,以降低研發成本。雖然大多數企業還沒有達到瓦錫蘭的先進水準,但其他產業的競爭者也在追尋連續回饋與實驗的虛擬-現實迴路的優勢。
以賽車為例子,法國永馳集團(Everspeed Group)的設計生產部門Onroak Automotive正在開發為期三年的專案,希冀徹底改變自行生產汽車、培訓機械師和車手以及管理利曼車賽的方式。利曼車賽(Le Mans)是世界上歷史最悠久的汽車耐力賽,目前該專案已進入第二年。這項年度賽事要求參賽車輛連續行駛24小時,完成12圈賽道。賽道是由封閉公路和一條環形賽道所組成。
即便是極小的優勢也能決定勝負,Onroak...