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5G在智慧製造應用趨勢(以工廠產線優化為例)

2022-12-13

5G技術已在全球各地展開應用,尤其以製造業的網路應用情境,被認為是最能體現5G技術優勢的垂直領域。5G成為工業4.0的重要驅動力量,幫助工廠實現內部與外部的垂直和水平整合,如連接跨區域分布的商品、客戶和供應商,以及加強對產品生命週期的掌控,並利用物聯網、雲端計算、巨量資料、人工智慧等技術來實現自動分析、判斷、決策和學習成長,以輔助或替代人類決策。
綜合彙整PwC、GSMA等國際顧問機構根據其服務全球客戶或會員的調查結果,以及對國內製造業的研究,依序說明12項當前國內外製造業最主要的5G應用。

(1) 人機界面
在AI和大數據技術的整合下,AR/VR與可穿戴工業設備等技術和裝置,明顯改變了人機界面的型態,產線人員、品管人員或維護人員可藉此融合資訊與現實場景,執行工作時同時捕捉資訊、接收遠端指令和操作協助,5G技術的eMBB(超大頻寬)和uRLLC(超低延遲)特性即適合支援這類新型人機界面的操作需求。
(2) 企業連接
5G將使工廠基礎設施、營運技術和資源與企業IT系統整合,從而進一步優化和遠程控制工廠流程。中控式關燈工廠和無人工廠即是製造業完成企業連接的具體應用案例,工廠人員即使不在現場,也能根據數據和分析結果做出管理決策。
(3) 遠端維護協作
製造業導入XR(Extended Reality,延展實境)解決方案已蔚為趨勢,遠端維護協作即是其中一項非常具有代表性的應用。使用者可以透過手機螢幕或平板,或者直接穿戴裝置後,即可看見環境和有AR輔助的畫面,利用人機界面操作工具,指出有問題的地方並提供解決方式的指導,5G網路技術在這項應用中,扮演重要的連網環境優化角色。
(4) 供應鏈整合
在供應鏈公開透明的觀念廣泛為業界所接受後,企業必須去了解供應鏈上游所發生的事,並將資訊予以公開。對製造業而言,供應鏈透明化後,對外有助於建立顧客對產品的信心和信任,對內將能夠快速、自動地補充零件和供應品,最大化的減少延遲並提高效率。將5G 網路在此項應用中,扮演優化供應鏈資訊傳輸的基礎建設角色。
(5) 生產優化
生產優化是指工廠在產線上布建相關設備如感測器、高解析攝影機等,即時蒐集捕獲有關機器、庫存和生產的實時數據,將使公司能夠更詳細地分析生產模式。根據這些資訊,管理者就可以確定工廠所有生產活動的正確順序,並最大化的提高流程效率,從而幫助生產週期運轉順暢,進而減少人力、原材料、時間等生產資源的浪費。
(6) 流程自動化
工廠的生產活動能成功運行要素,在於實現安全和效率的關鍵製程,這些製程內含了手動的SOP、系統的控制、訓練和經驗累積的隱性知識。資深技師逐漸退休,新進技師能力未達成熟,將出現技術落差,必須將製程操作方式標準化後進而實現流程的自動化,才能不受制於人員專業能力參差不齊。在復刻保留資深技師的操作技巧過程中,必須傳輸大量資料進行同步模擬,5G網路技術可提供更好的資料傳輸和低延遲環境。
(7) 預防性維護
預防性維護是感測器網路的延伸應用,也是當前製造業廠商最關注的5G應用項目之一。在物聯網技術與人工智慧整合後,對製造業設備監控的能力,已逐漸從傳統以人工使用手持式檢測設備的週期性檢測,進步為即時性和預測性的監控,大幅降低貴重設備或零組件無預警損壞造成的停工風險和損失。
(8) 感測器網路
雖然感測器本身的品質相當重要,但廠區內的網路傳輸能力也必須有效支持,在行動流量持續上升且低頻率負荷有限的挑戰下,4G以低頻為主的資料傳輸流量不敷使用,工廠內各種網路服務搶占頻寬的結果,即陷入服務延遲甚至中斷的惡性循環,5G的廣連結和高速傳輸優勢將有助於改善此情況。
(9) 模組化工廠
模組化工廠是綜合發揮5G網路技術在高密度連結設備、高速傳輸和超低延遲等技術優勢後,以彈性生產為基礎的進階智慧化生產模式,可實現隨選式客製化生產的製造情境。模組化生產過程中,運用大量3D模型設計工具進行產品的設計和打樣,透過高性能網路傳輸可近乎即時的與客戶共同修改和確認,縮短客製化設計階段的時間以投入生產,幫助客戶更快的推出產品。
(10) 廠域安全
智慧化工廠在生產流程中雖然部署了大量自動化設備和以AI為基礎的自適應決策支援系統,但仍有許多作業環節需要工人與機器協同合作。如何在工廠內讓工人安全的和機器互動,以及避免被可自由移動的機器人碰撞受傷,仍然是重要而且未能在4G時代妥善得到解決的問題。在這樣的應用情境中,考驗無線網路的低延遲能力,才能更趨於即時的反應甚至緊急停機,使人員安全得到保障。
(11) 工廠自動化
工廠自動化的主要目的是為了提高生產線的效率,這就需要對各個設備進行即時監控,進而對生產排程進行即時優化,讓各階段工序能無縫銜接。此外,工廠自動化在設計和生產管理中常用到的機器人手臂視覺控制、3D建模資料傳輸、遠距數位工廠等技術方案,皆需要高穩定和高頻寬的網路支援,5G網路技術即是當前的理想選擇之一。
(12) 行動機器人
行動機器人被歸類為彈性工廠的一種應用,它可有效的突破以有線方式連接的生產設備,以無線連接實現自由移動和重置設定。許多製造業者將部署大量的行動機器人視為智慧化的重要措施,對於機器設備和機器人之間的相互操作和升級互聯,就產生了超高可靠性和超低延遲的無線連網需求,5G的uRLLC特性即可滿足此一需求。

資料來源:工研院產科國際所,2022年11月
圖1 製造業主要5G應用

由於5G商用尚處於早期發展階段,如前所述網路服務提供商和各垂直領域業者,大多仍然在摸索有具體差異和效益的應用機會。在眾多垂直領域中,製造業的場域環境相對顯現出5G技術優勢的適用性。以下列舉日本和我國二家科技製造業者發布上線營運的5G智慧工廠案例,並簡介其5G智慧製造應用部署重點。

(13) Panasonic結合龍鋒企業導入5G專網智慧製造輔助系統
汽車車燈製造商龍鋒企業提供場域,與臺灣松下(Panasonic)、雲達、資策會、佐臻合作,以5G技術結合AI辨識技術、AR遠端指導技術,輔助車燈組裝訓練與組裝過程監測兩項應用。藉由5G智慧製造輔助系統,可減少新手作業員培訓時間至少30%以上,有問題可即時遠端協助教學。提高車燈製造速度及正確性,增加品質測試正確率、減少品質管理測試時間達20%以上。
車燈的組裝步驟繁瑣,一般老手教育新人、或是由新人自己看作業指導書操作,平均一個大型組件組合時間約76秒(平均值)。利用AR輔助車燈組裝訓練,讓新手戴上穿戴4K攝影機的AR眼鏡,連接5G手機,就能將AR眼鏡上相機所拍攝的員工作業視角畫面,經由5G專網,送到AI伺服器進行辨識,新手就能透過AR眼鏡指示,按部就班的正確組裝與操作,遇到問題時,也可以呼叫老手透過 AR遠距指導現場人員處理。AI組裝過程監測,運用於一般組裝產線,在車燈組裝產線上方架設相機,拍攝員工組裝車燈過程影像,經5G專網送到AI伺服器,由AI判斷作業人員的組裝程序是否符合操作流程,若發生步驟錯誤則會即時影像辨識及AI運算判斷送出警示訊息。
運用5G技術結合先進的AI與MR技術能無縫接軌和現場作業人員輕鬆學習及使用,有效率實施新進人員作業訓練,更快提高生產力。並以AI自動檢查作業狀況,輔助管理部門提高生產品質,協助傳統產業能透過數位轉型5G科技能量強化經營體質,加強國際競爭能力。
(14) 日月光打造全球首座5G SA mmWave NR-DC智慧工廠
封測大廠日月光與亞太電信、鴻海集團及成功大學智慧製造研究中心等產官學界,以5G獨立組網(SA)與毫米波雙連線(mmWave NR-DC)等5G技術,結合國際與本土5G解決方案,發展出更適用於半導體業的5G系統整合解決方案,並率先導入日月光K11廠(高雄市楠梓區),連動上百台生產設備,同時在上述先進5G專網的基礎下,也導入了各類與品質相關的應用方案,包括「人員SOP異常AI偵測」、「協同物料智慧管理」、「封測業品質檢測AI系統」等,打造全球首座5G SA mmWave NR-DC智慧工廠。廠區內自動化系統串聯5G網路,實現工廠智慧的自我優化與校調,產品的生產與檢測效率約可提升14%,生產週期時間約可減少1天,一年約可節省1700萬、更可增加4千萬獲利。
在廠房區域內,藉由動態串流影像,即時AI辨識人員SOP異常,有效防範流程失誤,進而提高作業效率。物料智慧管理結合智能派工系統,透過自動化管理物料庫存,可準確地完成天車配送至廠區內產線位置,有效減少人工作業,並且提升生產效率。品質檢測AI系統,運用機器視覺做為檢測標準技術,可改良傳統上以人力使用光學儀器進行檢測的缺點,使生產良率大幅提升。
總結來說,製造業營運場域中,存在大量不同類型的設備同時運轉,也可能有佔地廣闊或結構複雜的廠房,或者人與機器設備在同一條產線上共同工作的多種情境。為能有效管理如此複雜多變的環境,衍生出諸多智慧化的需求,企業在導入AI、IoT、AR/VR等技術時,更要善用5G的優異性能,全面升級連網環境以產生事半功倍的應用效益。
 

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