Industry 4.0 - Model Factory
近年來，智慧製造熱潮席捲全球各地。其中，智慧工廠（Smart Factory）作為智慧製造重要的實踐領域，已引起了製造企業的廣泛關注，和各級政府的高度重視。本文將分析全世界智慧工廠建設的現狀與問題，智慧工廠的內涵，以及推進智慧工廠建設的商機之道。
一、全球智慧工廠建設的現狀分析
近年來，全球各主要經濟體都在大力推進製造業的復興。在工業 4.0、工業網路、物聯網、雲端運算等熱潮下，全球眾多優秀製造企業，都開展了智慧工廠建設實踐。
例如，西門子安貝格電子工廠，實現了多品種工業電腦的混線生產；FANUC 公司，實現了機器人和伺服電機生產過程的高度自動化和智慧化，並利用自動化立體倉庫，在工廠內的各個智慧製造單元之間傳遞物料，實現了最高 720 小時無人值守；施耐德電機，實現了電氣開關製造和包裝過程的全自動化；美國哈雷戴維森公司，廣泛利用以加工中心和機器人，構成的智慧製造單元，實現大批量客製化；三菱電機名古屋製作所，採用人機結合的新型機器人裝配產線，實現從自動化到智慧化的轉變，顯著提高了單位生產面積的產量；全球重卡巨頭 MAN 公司搭建了完備的廠內物流體系，利用 AGV 裝載進行裝配的組件和整車，便於靈活調整裝配線，並建立了物料超市，取得明顯成效。
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| 德國MAN工廠利用 AGV 作為組件和整車裝配的載體 |
當前，製造業面臨著巨大的轉型壓力。一方面，勞動力成本迅速攀升、產能不足或過剩、競爭激烈、客戶個性化需求日益成長等因素，迫使製造企業轉向建立差異化競爭優勢。在工廠層面，製造企業面臨著招工難，以及缺乏專業技師的巨大壓力，必須實現減員增效，迫切需要推進智慧工廠建設。
另一方面，物聯網、協作機器人、增材製造、預測性維護、機器視覺等新興技術迅速興起，為製造企業推進智慧工廠建設，提供了良好的技術支撐，使各行業越來越多的大中型企業，開啓了智慧工廠的建設。
汽車、家電、軌道交通、食品飲料、製藥、裝備製造、家居等行業的企業，對生產和裝配線進行自動化、智慧化改造，以及建立全新的智慧工廠的需求十分旺盛。
在對岸中國，例如海爾佛山滾筒洗衣機工廠，可以實現按訂單配置、生產和裝配，採用高柔性的自動無人生產線，廣泛應用精密裝配機器人，採用 MES 系統全程訂單執行管理系統，透過 RFID 進行全程追溯，實現了機機互聯、機物互聯和人機互聯；
另一家中國的尚品宅配，實現了從款式設計，到構造尺寸的全方位個性客製化，建立了高度智慧化的生產加工控制系統，能夠滿足消費者個性化客製化所產生的特殊尺寸，與構造板材的切削加工需求；
中國東莞勁勝全面採用他們的國產加工中心、數控系統和工業軟體，實現了設備數據的自動採集和工廠內聯網，建立了工廠的數位映射模型（Digital Twin），建構了手機殼加工的智慧工廠。
中國這些廠商的升級轉變，我們台灣的製造業必須正視，否則未來更難以與他們在國際市場競爭。
但是，製造企業在推進智慧工廠建設方面，還存在諸多問題與誤區：
1. 盲目購買自動化設備和自動化產線。很多製造企業仍然認為推進智慧工廠就是自動化和機器人化，盲目追求「關燈工廠」，推進單工位的機器人改造，推行機器換人，上馬只能加工或裝配單一產品的剛性自動化生產線。只注重購買高端數控設備，但卻沒有配備相應的軟體系統。
2. 尚未實現設備數據的自動採集和工廠內聯網。企業在購買設備時，沒有要求開放數據介面，大部分設備還不能自動採集數據，沒有實現工廠內聯網。目前，各大自動化廠商都有自己的工業總線和通信協議，OPC UA 標準的應用還不普及。
3. 工廠運營層還是黑箱。在工廠運營方面還缺乏資訊系統支撐，工廠內仍然是一個黑箱，生產過程還難以實現全程追溯，與生產管理息息相關的製造 BOM 數據、工時數據也不準確。
4. 設備績效不高。生產設備沒有得到充分利用，設備的健康狀態未進行有效管理，常常由於設備故障，造成非計劃性停機，影響生產。
5. 依然存在大量資訊化孤島和自動化孤島。智慧工廠建設涉及到智慧裝備、自動化控制、感測器、工業軟體等領域的供應商，整合難度很大。很多企業不僅存在諸多資訊孤島，也存在很多自動化孤島，自動化生產線沒有進行統一規劃，生產線之間還需要中轉庫轉運。
究其原因，是智慧製造和智慧工廠涵蓋領域很多，系統極其複雜，企業還缺乏深刻理解。在這種狀況下，製造企業不能貿然推進，搞「大躍進」，以免造成企業的投資泡湯。
【3S MARKET】智慧工廠建設，涉及很多安控、物聯網、雲端運算\邊緣運算軟硬體設備，以及相關機電、弱電、網通的系統規劃與安裝工程業者的投入。近幾年許多大型 VAR 業者如精誠資訊、凌羣等業者，以及中小型做虛擬系統的業者，紛紛投入。因此，形成生態圈將是未來重要的營運模式。
不過台灣一些產業的業者，仍然堅持走傳統模式，口中喊著支持 MIT，但並沒有真正進入垂直領域的生態圈，面對中國廠商不斷的蛻變，這是台灣目前存在的隱憂。
二、何謂智慧工廠？
究竟何謂智慧工廠？智慧工廠具有以下六個顯著特徵：
1. 設備互聯。能夠實現設備與設備互聯（M2M），透過與設備控制系統整合，以及外接感測器等方式，由 SCADA（數據採集與監控系統）即時採集設備的狀態，生產完工的資訊、品質資訊，並透過應用 RFID、條碼（一維和二維）等技術，實現生產過程的可追溯。
2. 廣泛應用工業軟體。廣泛應用 MES（製造執行系統）、APS（先進生產排程）、能源管理、品質管理等工業軟體，實現生產現場的可視化和透明化。在新建工廠時，可以透過數位化工廠實境模擬軟體，進行設備和產線佈局、工廠物流、人機工程等實境模擬，確保工廠結構合理。
在推進數位化轉型的過程中，必須確保工廠的數據安全，和設備和自動化系統安全。在透過專業檢測設備檢出次品時，不僅要能夠自動與合格品分流，而且能夠透過 SPC（統計過程控制）等軟體，分析出現品質問題的原因。
3. 充分結合精益生產理念。充分體現工業工程和精益生產的理念，能夠實現按訂單驅動，拉動式生產，盡量減少在製品庫存，消除浪費。推進智慧工廠建設，要充分結合企業產品和工藝特點。在研發階段也需要大力推進標準化、模組化和系列化，奠定推進精益生產的基礎。
4. 實現柔性自動化。結合企業的產品和生產特點，持續提升生產、檢測和工廠物流的自動化程度。產品品種少、生產批量大的企業可以實現高度自動化，乃至建立關燈工廠；小批量、多品種的企業，則應當注重少人化、人機結合，不要盲目推進自動化，應當特別注重建立智慧製造單元。工廠的自動化生產線和裝配線應當適當考慮冗餘，避免由於關鍵設備故障而停線；同時，應當充分考慮如何快速換模，能夠適應多品種的混線生產。
物流自動化對於實現智慧工廠非常重要，企業可以透過 AGV、行架式機械手、懸掛式輸送鏈等物流設備，實現工序之間的物料傳遞，並配置物料超市，盡量將物料配送到線邊。品質檢測的自動化也非常重要，機器視覺在智慧工廠的應用，將會越來越廣泛。此外，還需要仔細考慮如何使用助力設備，減輕工人勞動強度。
5. 注重環境友好，實現綠色製造。能夠及時採集設備和產線的能源消耗，實現能源高效利用。在危險和存在污染的環節，優先用機器人替代人工，能夠實現廢料的回收和再利用。
6. 可以實現即時洞察。從生產排產指令的下達，到完工資訊的回饋，實現完整的循環作業。透過建立生產指揮系統，即時洞察工廠的生產、品質、能耗和設備狀態資訊，避免非計劃性停機。透過建立工廠的 Digital Twin（數位映射），方便地洞察生產現場的狀態，輔助各級管理人員做出正確決策。
僅有自動化生產線和工業機器人的工廠，還不能稱為智慧工廠。智慧工廠不僅生產過程應實現自動化、透明化、可視化、精益化，而且，在產品檢測、品質檢驗和分析、生產物流等環節，也應當與生產過程實現循環作業的整合。
一個工廠的多個生產線之間也要實現資訊共享、準時配送和協同作業。智慧工廠的建設充分融合了資訊技術、先進製造技術、自動化技術、通信技術和人工智慧技術。
每個企業在建設智慧工廠時，都應該考慮如何能夠有效融合，這五大領域的新興技術，與企業的產品特點和製造工藝緊密結合，確定自身的智慧工廠推進方案。
三、智慧工廠的體系架構
著名業務流程管理專家 August-Wilhelm Scheer 教授，提出的智慧工廠框架，強調了 MES 系統在智慧工廠建設中的樞紐作用。
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| Scheer 教授提出的智慧工廠架構 |
智慧工廠可以分為基礎設施層、智慧裝備層、智慧產線層、智慧生產線層和工廠管控層五個層級：
1、基礎設施層
企業首先應當建立有線或者無線的工廠網路，實現生產指令的自動下達和設備與產線資訊的自動採集；形成整合化的生產線聯網環境，解決不同通訊協議的設備之間，以及 PLC、CNC、機器人、儀表/感測器，和工控/IT 系統之間的聯網問題；利用影像監控系統，對生產線的環境，人員行為進行監控、辨識與警報；此外，工廠應當在溫度、濕度、潔淨度的控制和工業安全（包括工業自動化系統的安全、生產環境的安全和人員安全）等方面達到智慧化水準。
2、智慧裝備層
智慧裝備，是智慧工廠運作的重要手段和工具。智慧裝備主要包含智慧生產設備、智慧檢測設備和智慧物流設備。製造裝備在經歷了機械裝備到數控裝備後，目前正在逐步向智慧裝備發展。智慧化的加工中心具有誤差補償、溫度補償等功能，能夠實現邊檢測、邊加工。
工業機器人透過整合視覺、力覺等感測器，能夠準確辨識工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現人機協作。金屬增材製造設備可以直接製造零件，DMG MORI 已開發出能夠實現，同時實現增材製造，和切削加工的混合製造加工中心。智慧物流設備則包括自動化立體倉庫、智慧夾具、AGV、桁架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，Fanuc 工廠就應用了自動化立體倉庫，作為智慧加工單元之間的物料傳遞工具。
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| ABB 的 Yumi 協作機器人 |
3、智慧產線層
智慧產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠透過感測器、數控系統或 RFID 自動進行生產、品質、能耗、設備績效（OEE）等數據採集，並透過電子看板，顯示即時的生產狀態；透過安全燈系統，實現工序之間的協作；生產線能夠實現快速換模，實現柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗餘，如果生產線上有設備出現故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智慧的提示。
4、智慧生產線層
要實現對生產過程進行有效管控，需要在設備聯網的基礎上，利用製造執行系統（MES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟體，進行高效的生產排產，和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現生產過程的追溯，減少在製品庫存，應用人機介面（HMI），以及工業平板等行動終端，實現生產過程的無紙化。
另外，還可以利用 Digital Twin (數位映射)技術，將 MES 系統採集到的數據在虛擬的 3D 產線模型中，即時地展現出來，不僅提供生產線的 VR（虛擬現實）環境，而且還可以顯示設備的實際狀態，實現虛實融合。
生產線物流的智慧化，對於實現智慧工廠非常重要。企業需要充分利用智慧物流裝備，實現生產過程中所需物料的及時配送。企業可以用 DPS 系統( Digital Picking System )實現物料揀選的自動化。
5、工廠管控層
工廠管控層，主要是實現對生產過程的監控，透過生產指揮系統，即時洞察工廠的營運，實現多個生產線之間的協作和資源的調度。流程製造企業已廣泛應用 DCS 或 PLC 控制系統，進行生產管控，近年來，離散製造企業也開始建立中央控制室，即時顯示工廠的營運數據和圖表，展示設備的運行狀態，並可以透過圖像辨識技術，對影像監控中發現的問題，進行自動警報。
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| 美的工廠的生產監控中心 |
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| 智慧工廠五級金字塔 |
四、智慧工廠的成功之道
1、進行智慧工廠整體規劃
智慧工廠五級金字塔工廠的建設，需要實現 IT 系統與自動化系統的資訊整合；處理來源多樣的異構數據，包括設備、生產、物料、品質、能耗等海量數據；應當進行科學的廠房佈局規劃，在滿足生產工藝要求，優化業務流程的基礎上，提升物流效率，提高工人工作的舒適程度。
智慧工廠的推進需要企業的 IT 部門、自動化部門、精益推進部門，和業務部門的通力合作。製造企業應當做好智慧工廠相關技術的教育訓練，選擇有實戰經驗的智慧製造咨詢服務機構，共同規劃推進智慧工廠建設的藍圖。
在規劃時應注意行業差異性，因為不同行業的產品製造工藝差別很大，智慧工廠建設的目標和重點也有顯著差異。
2、建立明確的智慧工廠標準
在智慧工廠的建設中，企業往往會忽視管理與技術標準的建立，容易造成缺少數據標準，一物多碼；作業標準執行不到位；缺失設備管理標準，不同的設備採用不同的通訊協議，造成設備整合難度大；管理流程複雜，職權利不匹配；質檢標準執行不到位，導致批次品質問題多等問題。
因此，需要建立明確的智慧工廠標準，例如，業務流程管理規範、設備點檢維護標準和智慧工廠評估標準等管理規範，智慧裝備標準、智慧工廠系統集成標準、工業網路標準，以及主數據管理標準等技術標準。
3、重視智慧加工單元建設
目前，智慧加工單元在製造企業的應用還處於起步階段，但必然是發展的方向。智慧加工單元可以利用智慧技術，將 CNC、工業機器人、加工中心，以及自動化程度較低的設備，整合起來，使其具有更高的柔性，提高生產效率。
4、強調人機協作而不是機器換人
智慧工廠的終極目標，並不是要建設成無人工廠，而應追求在合理成本的前提下，滿足市場個性化客製化的需求。因此，人機協作將成為智慧工廠未來發展的主要趨勢。人機協作的最大特點，是可以充分利用人的靈活性，完成複雜多變的工作任務，在關鍵崗位上，更需要人的判斷能力和決策能力顯得更為重要，而機器人則擅長重複勞動。
5、積極應用新興技術
未來，AR（Augmented Reality，增強現實）技術將被大量應用到工廠的設備維護，和人員教育訓練中。工人帶上 AR 眼鏡，就可以「看到」需要操作的工作位置。例如，需要擰緊螺栓的地方，當擰到位時，會有相應提示，從而提高作業人員的工作效率；維修人員可以透過即物掃碼，使虛擬模型與實物模型重合疊加，同時在虛擬模型中顯示出設備型號、工作參數等資訊，並根據 AR 中的提示進行維修操作；
AR 技術還可以幫助設備維修人員，將實物運行參數與數位模型進行對比，盡快定位問題，並給予可能的故障原因分析。此外，數位工廠實境模擬技術，可以基於離散事件建模、3D 幾何建模、可視化仿真與優化等技術，實現對工廠靜態佈局、動態物流過程等綜合實境模擬和分析，從而能夠先建立數位化的生產系統，甚至全部工廠，依據既定工藝進行運行實境模擬。
五、總結
在智慧製造的熱潮下，企業不宜盲目跟風。建設智慧工廠，應圍繞企業的中長期發展策略，根據自身產品、工藝、設備和訂單的特點，合理規劃智慧工廠的建設藍圖。在推進規範化、標準化的基礎上，從最緊迫需要解決的問題入手，務實推進智慧工廠的建設。
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