PLC串起物聯網智能制造

受到老齡與少子化造成的缺工現象及covid-19疫情交叉影響，近期制造業在營運上常受到外在環境快速變化的考驗，不僅造成供應鏈瓶頸，上游設備及零組件供貨商也難以應對生產現場產線交機、調校和維運作業。卻也有PLC可支持邊緣運算，串起工業物聯網OT+IT信息，提供AI、Digitaltwins所需數據，協助業者從智能工廠逐步進階智能制造。

現今一般所稱「智能工廠」的管理模式，系指透過搜集并解析生產過程中的數據，如：生產排程、機臺稼動率等，藉此發掘生產所面臨的瓶頸，克服過去難以量化的痛點。讓管理者可據此排定解決問題的優先級并快速決策，減少生產現場的浪費；進而善用有限資源來提高效能、降低成本，由于此模式相對簡單且效果顯著易見，對于傳產中小企業導入門坎較低。

反觀「智能制造」，則是硬件與軟件的配合，必須預先衡量客戶端整體的生產狀態，生產團隊也需要具備更高的管理能量和專業知識。才能透過傳感器、PLC來搜集生產數據，了解生產過程中的質量變化，使得機臺與接口設備、零配件皆可自行感知、調控，以維持質量的一致性，所以發展瓶頸相對較深，仍有賴學研機構與相關廠商積極投入研究。


 
圖1 : 在這波數字浪潮下，業者該如何活用IT數字化工具及管理能力，來處理現場大量FA數據、降低營運風險也備受重視。（source：cic.es）

所幸因為這波疫情加速生產現場的數字轉型（Digital Transformation；DX）需求增加，如何進一步活用IT數字化工具及OT管理能力，來處理生產現場工廠自動化（FA）的大量數據；進而加強企業彈性應變，降低營運風險成效也備受重視。

三菱導入e-F@ctory架構　凸顯邊緣運算價值
由攝陽企業引進的日系品牌三菱電機（Mitsubishi Electric）的FA系列產品，近期也積極推動以e@Factory概念為核心的智能制造解決方案，順應這波數字轉型（DX）浪潮的背景，主要源自于社會和商業環境快速變化，必須為可永續發展的社會貢獻，創建目標來平衡工作滿意度和經濟發展。
隨之推廣的DX策略，也有別于傳統歐美國家沿用上層IT數字模式來改善生產現場，而是基于活用生產現場的FA專業知識及OT信息，再導入IT技術力求達目標策略。三菱強調：「重點是只能由制造業利用其專有技術能力，實現于生產現場DX，而不是由數字化技術領導，才能真正在全球競爭中脫穎而出。」
同因應生產現場會不斷產出大量信息，難以實時上傳，三菱在2003年公布的e-F@ctory架構，便率先整合生產現場FA、Edge IT邊際運算技術，利用底層傳感器、MELSEC系列PLC和新一代工業用網絡技術CC-Link IE TSN的高速、高效特性，與不同伙伴合作。
借著通過單一干線連接、搜集和分析處理，可控制所有不同網絡的生產現場數據及信息，從而形成有意義的數據數據，上傳到控制層的整合控制及感測、AOI設備、機器人，將大幅節省人力；甚至是IT層的SCM/ERP系統來管理供應鏈，一旦經蜂鳴器示警并中斷生產后，還可據以分析和改善現場產線，實現基于Edge的整體制造（monozukuri）優化解決方案。


 
圖2 : 三菱在2003年公布的e-F@ctory架構，便率先整合生產現場FA、Edge IT邊際運算技術，與不同伙伴合作。（source：tw.mitsubishielectric.com）

數字分身加值　催生節能智能工廠
目前三菱在名古屋新建廠房便透過PLC搜集生產、營運、質量等信息可視化，加以分析和改善后執行邊際運算，管理設備操作，并進行排程及有效應用后，促進生產設備和建筑設備之間合作來優化工廠，追求生產設備高效運行與生產系統協作，以避免來料或生產過程中止，減少產品質量損失。進而上傳服務器，再經過營運管理監控機制與外部供貨商生產管理監控系統聯網協作，分別依生產進度及需求接受產品訂單備料、或者自動訂購零件不足的訂單。
且因為是新成立廠房，所以必須兼顧ISO-14067節能等級，從而利用PLC擔任主站（Master），與周邊空調、熱源及室外機、通風設備等副站（Salve）溝通，監控實際生產運行狀態；再加入變頻器、智慧電表和傳感器等，上傳數據進入SCADA執行可視化分析與改善，減少交流電源及通風設備能量損耗。
惟若業者有必要規劃智慧工廠時，最常要面臨的兩大問題，包括：一、縮短設計時間，以防重復設置類似的數據，一旦須要改變控制程序時，仍須耗時來輸入設定；二、現場調整時間短，當設備啟動后，仍須耗時來解決設備之間的干擾問題，即使利用3D仿真器驗證、CAD和工程工具之間協作建立數字分身，也需要一具實體控制器。
最新由三菱研發，即將上市的3D仿真器軟件「MELSOFT Gemini」，則強調可協助客戶在生產設備導入或啟用前，就能透過3D模擬技術，提升產能與質量。經過鏈接MELSOFT iQ Works軟件之一的MELSOFT Simulator，得以3D模擬建構及驗證生產設備上的可程控器PLC、運動控制器等動作及產線現況，簡單實現機上驗證。進而加速并簡化顧客導入實體設備前，從設計、制造到生產現場運用、維護等開發工作流程優化，不僅減少生產時的碳排放量，更能縮短工時、提升產品質量。


 
圖3 : 三菱即將上市的3D仿真器軟件「MELSOFT Gemini」，則強調可協助客戶在生產設備導入或啟用前，就能透過3D模擬、建構及驗證生產設備上的PLC、運動控制器等動和產線現況。（source：mitsubishielectric）

一旦導入設備發生異常后，該「驗證功能」即透過可程控器程序或波形來分析異常原因，并以影像確認動作，毋須再透過OPC服務器，就能連接MELSOFT Simulator和其他設備，縮短通訊所需時間，將3D 數據更新頻率提升12倍，得以提高設備的動作干涉檢查精度，將有助于減少重工、提升生產質量。
此外，MELSOFT Gemini還能經由統計設備的運轉狀態、作業員的作業時間與待機時間等數據，以及其中內建約2,500種多樣機械零件圖形（e- Catalog），于3D畫面上拖放圖形及設定參數，繪制成多樣圖表，簡單建構產線的布線設計。再經由可視化圖表及統計功能，實現全方位的分析，辨別產品良率及設備運轉率的變化，確認生產設備動作異常的數據數據，讓現場作業人員能夠迅速查明異常原因，使產線設計及改善更有效率，未來三菱也將活用數字技術，致力延續顧客事業的生命周期。

臺達平臺整合硬軟件　融合OT+IT信息
臺灣工業自動化大廠臺達電子公司（Delta）近期也陸續發表其智能制造落地實績，包括云端服務、生產節能、自動化設備等智能制造應用，為客戶提供高質量與可靠度產品、解決方案，包括利用變頻器、伺服馬達、PLC、傳感器與機器人等完整工控產品布局優勢。
同時結合洞悉市場及發揮自身產線智能升級所累積的豐碩經驗，由下至上貫穿OT層系統設備、邊緣層（控制/通訊）與IT層（制造管理及數據分析），依序整合自主開發的智能產品、規劃智能產線與智能工廠；透過設備自動整合控制、制造生產管理等平臺和戰情中心、廠務能源監控系統，由點、線、面整合多套自動化系統，具備「立體維度」的智能制造解決方案。
由于現今工業物聯網勢必要有效融合OT+IT信息，其中在OT端著重信息實時性，包含事故告警、狀態監測、診斷干涉等，以便讓操作人員提前維護或排除故障；同時鏈接于IT端執行質量管理、物流、下單交易等信息，找出優化平臺整合信息，促使供應鏈實時因應，落實智能制造。
臺達近期發表的電子制造業智能工廠解決方案，便采用自主開發的智能設備與智能產線設計，導入DIAAuto設備自動化整合控制、DIAWorks生產制造管理平臺，以及生產監控戰情中心與智能廠務監控系統，透過實時收集生產信息，在生產、質量、設備與倉儲等面向完善人、機、料、法、環、測的管理。


 
圖4 : 臺達近期發表的電子制造業智能工廠解決方案，便透過在自家生產場域驗證與累積成功經驗，打造標準化相關軟件平臺，并結合底層智能設備、PLC擷取生產數據。（攝影：陳念舜）

透過在自家生產場域驗證與累積成功經驗，打造標準化相關軟件平臺，并結合底層智能設備、PLC擷取生產數據，再經由DIALink設備連網平臺及系統內建的設定模式，讓用戶可以輕松串接設備資料；同時支持 MODBUS、OPC等生產現場常見的通訊標準，擁有高整合與兼容性。邊緣層Edge則透過DIABCS整線設備管控與DIAEAP設備自動化控制兩套系統，M整合異質設備M2M互動及進行數據處理與轉換，不僅可在發生異常時下達命令停機，更可透過系統依不同應用需求，實時運算分析轉換成有用的洞見，提供上層系統「即取即用」。

導入先進AIoT技術　從智能工廠邁向智能制造
值得一提的是，目前在三菱導入先進技術實現DX層面，也分別利用：「行動DX」克服勞動力短缺問題，透過與產在線機器人協作/自動化，讓人們可以從單調工作中解脫出來，從事高附加價值工作；藉「知識DX」，促成員工與三菱獨創的人工智能技術（Maisart AI）合作，藉其深度/強化學習、大數據分析能力，讓任何人都可以繼承熟練工人的知識、技能，減省現場運算負擔及時間等成本。同時強調其屬于compact AI技術，可導入三菱在FA領域知識；同時利用三菱的Edge產品簡化搜集數據過程，加速建構完善AI系統。



 
圖5 : 目前在三菱導入先進技術實現DX層面，也促成員工與獨創的人工智能技術（Maisart AI）合作，同時強調其屬于compact AI技術，可導入三菱在FA領域知識；同時利用該公司Edge產品簡化搜集數據過程，加速建構完善AI系統。（攝影：陳念舜）
三菱進一步指出，目前業界要落實DX的關鍵詞為「開放」，也就是基于客戶不會只選用單一系統整合商與網絡，在生產現場容易遭遇網絡、系統及數據零散的結果，所幸有e-F@ctory促進開放式轉變，以加快FA設備協作與創新；進而導入Maisart AI、EDGECROSS技術，并陸續在2011年宣布成立e-F@ctory Alliance開放聯盟、2018年發表開放網絡CC-Link IE TSN來統整智能工廠架構。
為了適用于DX時代靈活先進的制造業，必須提供一個空間，超越公司和產業的傳統界限，三菱打造了邊際運算領域的EDGECROSS軟件平臺，以解決因為現場通信標準不同，難與IT軟件、設備鏈結的問題，讓任何人都可藉此在工業計算機上運行可視化邊際應用軟件，透過在該領域競爭與合作，搜集現場不同網絡數據，加以統計、分類，并促成更有效率利用。