如何自動化？工廠自動化完整解決方案 | 鼎新電腦
文：吳欣珊
發布時間： 2022-10-12 11:31:00
在未來的智慧製造前提下，工廠自動化是往智慧工廠，甚至是智慧製造的重要途徑之一，但衡量產業特性，評估作業重點，清楚自家工廠設備與整體生產流程該如何調整執行自動化，也是製造業在邁向智慧工廠前需要先了解的部分。
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工廠自動化是什麼？
工廠自動化，運用自動裝置或系統控制，管理生產設備與生產過程，集結電腦、自動化、機器人等技術運用於工廠生產線作業，自動完成產品製造的全部，或部分加工過程的技術，在生產過程中降低人工操作的硬體與軟體系統。
其自動化作業也分為連續生產自動化與斷續生產自動化，連續生產指整體過程自動化，處理對象與物件多為流體、粉體與傳輸類，屬控制技術發展較快的類型；斷續生產過程指不連續生產，例如機械加工類的物品加工、裝配、包裝、運送、儲藏等步驟進行機械作業自動化。
工業4.0、智慧製造、工廠自動化的差異
在企業逐步轉型的過程中，工業4.0、智慧製造、工廠自動化等名詞常態被混淆，三者間有高度關聯，但製造業需要搭配數位化進程，逐步轉變思維，循序漸進才能達成其所描述的願景。以成長方向與階段來說，分別是工廠自動化→智慧製造→工業4.0。
工廠自動化：工廠的生產作業流程自動化
不論是連續生產自動化、還是斷續生產自動化，其生產狀態已經開始進入高度電腦程序自動化，由電腦執行生產作業的同時精簡人力，輔助判斷生產流程或設備異常狀況，協助提升生產效率。
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智慧製造：工業物聯網、大數據分析、人工智慧
在生產現場設備與產線高度自動化的前提下，設備在工業物聯網的IoT平台內，能端點到端點的互通資訊，藉由蒐集到的數據資料進行分析，人工智慧進行學習並判斷預測未來產能與運作，達到自行感知、自動決策、自動執行等先進製造作業，關鍵製造的環節智能化，協助製造業在數位轉型後的最佳生產模式，提升產業競爭力。
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工業4.0：大環境的高度智能化(串連物聯網、雲端運算、大數據分析、人工智慧)
工業4.0與智慧製造有高度重複相關，其不同點在於工業4.0以更高的層級與環境架構作為主要理念，但智慧製造是工業4.0的主要核心。除了創造新的工業技術，更著重在現有工業技術、銷售與產品體驗的整合，藉由智慧整合感控系統與物聯網的技術架構支撐，建構出能分析巨量資料，生成滿足客製需求的解決方案或產品。
經由電腦預測技術，例如天氣預測、公共運輸、市場調查數據等，達到即時精準生產或調度現有資源，減少浪費，實行供應端優化，在這裡須注意的是，工業是智慧型世界的一個部分，要以”工業如何適應智慧型網路下的未來生活＂作為理解根基。
現今AI的蓬勃發展，為企業的智慧製造轉型注入了一股新能量，未來的企業發展局勢，AI也將融入產業界，發展出更多不同的使用場景，幫助企業挖掘更好的成效，並提升企業競爭實力，不管是大型製造業透過先進通訊技術、工業物聯網、數位孿生、人工智慧等技術打造由數據驅動、與AI一同協作的關燈工廠，中小型製造業也開始使用數位科技，打造智動化、智能化產線，進行預測性維修，優化產能，讓人力聚焦在更有價值的工作，推動企業加速數位轉型的腳步。
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工廠自動化的開發種類
運用自動化的生產設備，進行一貫作業且有效率的執行生產，稱為工廠自動化控制。但工廠自動化並非在每個製造產業類別皆能執行，需評估產業類型，作業加工流程複雜度與生產時間長短，生產數量多寡，產業原料的形狀大小，皆會對工廠自動化規劃造成影響，下列產業是工廠自動化在開發中可執行的產業類型。
汽車工業
汽車主骨架藉由整條大型生產線進行分工裝配，將原料藉由各站點組裝不同零配件至整車，工廠自動化協助汽車流水線生產作業。
紡織工業
紡織工業的自動化性能用於不同材質加工如棉紡、絲綢加工、麻訪、毛紡等，以及織造方法如針織、機織、無紡等，過程中部分站點需要進行化學加工，自動化協助產出整捆布料。
塑膠工業
塑膠產業在取得原料後，各站點執行自動化上下料，藉由自動換模，經過射出成型機器產出塑膠模型或製品。
電子工業
產出物件以電子元器件、消費性電子產品為主，如廣播電視設備、通信設備、電視、計算機等，其生產型號與產線配置密切，工廠自動化可協助電子產品一致性生產。
半導體業
半導體業主力用於晶片或晶圓加工，經過研磨、曝光、顯影、蝕刻、切割、封裝等步驟執行生產，為重視設備性能執行產出的產業，工廠自動化協助串聯設備運作，並供應產品於電子工業。
電機工業
電機工業主要產出一定體積的電機設備，如不斷電設備、發電機、馬達、變壓器等，作業流程主力為組裝設備，與汽車工業雷同，為汽車工業縮小版生產作業。
機械工業
機械工業產出分為小型零件及大型器械，但適用於工廠自動化的屬於機械零件部分，量體小但加工程序較多，工廠自動化可協助管控設備精準度，降低作業流程出錯機率。
製藥工業
製藥產業攸關研發與生產製造，配方配比或小型醫療器械製造，其作業流程要求製藥配方設備精準度，生產製造過程的溫濕度控管，必要時須協助無塵室與實驗室作業，自動化可協助精準製藥量產。
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工廠自動化的價值
工廠在執行自動化之後，除了減少人力作業外，也能提升整體生產作業效率，以下三點是工廠在自動化之後的優勢：
提高生產效率
自動化技術可取代人類執行複雜、危險、繁瑣且重複動作的勞動環境，藉由電腦設定的參數與電腦技術，以最低的勞動力執行生產作業，降低人力因素干擾，提高整體生產效率。
節省材料
電腦計算並執行生產作業，其產能數量與生產時間也經過電腦數據統整，並於固定時間內產出需求數量，不多做產出，屏除浪費。
產品一致性高，提升良率
自動化實行前，電腦進行參數數據設定進而實行自動化，生產流程穩定，讓自動計算符合實際所需，達到實際所需的準確度與精度，提升產品良率。
工廠自動化的趨勢變化
自動設備取代高危險、單一重複作業的高頻率生產行為，導入自動化設備協助解決人力不足、技術斷層並協助產品品質穩定，但由於自動化為固定模式的概念，即便自動化是未來製造業產業趨勢，但並非每個產業都適合導入自動化產線製造。以下幾點是在導入產線自動化前需要準備的作業：
標準化作業
自動化的前提是由計算、規劃並輸入電腦設定，資料參數導入設備自動執行，控制重複作業，因此將每一步驟統一且自動化才能進行人為規劃與計算並進行設定，如果加工流程作業複雜，在設定參數容易出現錯誤，加深自動化作業難度。
風險性評估
生產過程中可能產生的風險也須進行評估，如加工鐵件產生的鐵屑、壓鑄成型在產品上形成的毛邊等，規劃商的技術與經驗將會影響整體自動化產線評估後的作業效益，因此需要規劃自動化設備廠商與機械製造廠商聯合評估，避免生產狀況影響自動化運作。
效能與投資成本評估
規劃商會以人力與作業時間做為依據，評估導入自動化後可節省的人力物力或產能的效益，因自動化設備成本較高，又因產線運作導入組數較多，如評估整體效益無法較原先人力作業高，則不建議導入，或需因時制宜進行半自動化產線的規劃。
工廠自動化不限於生產、製造過程、設計自動化，還包含管理自動化，因應管理遙控技術發展，工廠自動化技術現今朝向具有局部網路的通訊功能發展，在設備也高度自動化作業情況下，也開始逐步邁向無人工廠趨勢。
工廠自動化轉成智慧製造的優勢
將原先作業流程數位化，藉由企業管理平台ERP系統串聯，整合企業內部資源流程建立資訊透明且正確的平台，讓資訊於各層級通透，建立數據應用模式。平台架構完，再結合IT+OT物聯網、感測器、大數據運算技術，讓機器與設備傳輸數據、產生互相連結溝通、提升至自判斷與自感知，讓整體生產作業流程維持完全自循環，工廠自動化是傳統產業轉型成智慧製造的第一步，現有許多製造業已逐步走向工廠自動化，未來轉型智慧製造也是必須作為。
系統管理落實現場管理
當所有動作都可數據化，從供應鏈、採購、物料、生產、倉儲、發貨、售後的智慧物流，到生產現場自動化的彈性排程，整合設備與治具管理等，經由蒐集數據統整，排除現場生產作業障礙，解決問題，加強轉型智慧製造的數字化營運底基。
生產效率管控
整體生產作業體質調整滿足企業在製品管理、品質控管、設備整合與管理、問題追溯分析、生產現場即時數據採集等需求，協助現場運作透明化，調整運用現有企業資源，掌握工廠實作績效，提升工廠作業彈性應變。
數據支援關鍵決策
以數據驅動企業創新，隨著數位化進程(數位化→數位優化→數位轉型)發展，依據實際工業數據，傳承老師傅經驗、還原分析整體製造過程，引領生產智能化變革，打造工廠數字化轉型，推動企業數字化營運觀念轉變，並以數據支援決策。
在AI不斷進化的情況下，工廠自動化轉型成智慧製造的路途也不再遙遠，數位轉型的路途也不再窒礙難行，從分析決策型AI發展成內容產生型AI，只要有合理且完整的平台架構讓AI在內運算，AI就能及時換算數據，推動工廠內各人機協同的場景運用。未來從現場利用數據觀測的警示、與人協作的工作夥伴、運用數據運算的決策支援等，打造出未來由數據驅動轉向數智驅動的新企業運營模式，除了逐步邁向智慧製造外，更要打造出智慧工作，樂在生活的環境，為未來的企業工作場景帶來嶄新轉型。
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工廠自動化管理的成功案例
管件製程設備大廠旭東機械成立超過四十年，生產設備與自行車代工，從傳統模具製作與自行車設備開發起家，自行車已有全廠的生產線。對管理的要求以及少量多樣客製化的複雜，導致工廠狀態無法跟上，也開啟了轉型之路。
在開啟自動化管理的轉型前，旭東在工廠端遇到下列作業問題，導致無法應對需求隨時變動的困境：
1.資訊不透明影響決策
情報蒐集處理不即時，對應決策也無法立即處置，助理每天下班收集當天生產日報，人工處理核對數據耗時，輸入延遲達8天之多，也相對影響後續決策。
2.生產週期長且稼動不佳
機械零件由於皆為大批量生產，佔線以外也導致批次移轉速度慢，拉長生產週期；且因工廠為傳統機台，人員不能離機，由該站點的作業人員進行上下料與搬移，生產工時發揮不佳，影響稼動，導致生產效率不良。
3.重複動作且交期不準確
過往總需要IE去現場手工測算、手工記錄等低效方式，研發 80%的工作是重複而無價值；生產排程只依訂單交期安排，憑經驗大約預抓天數，也導致交期不準確，時常變動。
工廠要進行自動化，需要逐步漸進，在導入設備聯網等系統順行後，有了以下改善：
1.現場透明化
用手機與平板隨時掌握機台生產狀況，生產設備和生產狀態的即時監控，掌握生產現場詳細狀況，即時處理異常；透過派工狀況表、實績達成表清楚掌握影響派工資訊 : 包括每個訂單交期、訂單進程、現場前一天計畫完成量、設備工作負載等，做好「生產派工計畫」，提升整體生產效率。
2.小批量移轉機制
透過小批量移轉達到快速流轉，降低件與件間等待時間，各個生產工序傳遞沒有停留，讓批件之間等待時間大幅縮短；新配置專責備料人員進行各站點間物料移動，依生產任務進行料與模具準備、上下料等，降低生產成本、創造更高附加價值。
3.系統自動紀錄上傳生產數據
設備連網自動報工、刷碼報工，大幅節省整理資料時間，掌握更即時、完整、確實資訊，提升現場效率，預估工廠負荷產量、制定生產計劃的基礎、增減機器設備的依據，讓排產、派工更有效率。
現場透明化管理，已有許多成效顯現。包含縮短生產週期天數從30 天降為15天，降低人工資料處理時間50％，掌握設備產能負荷，提高派工效度。因應旭東多元化經營。
邁向第二階段的排產自動化，讓製造資源管理細緻化，清楚掌握產能，派工從 3 天降為2 天；掌握設備產能，透過改機、模具優化等，稼動率從46% 提升到 61%，支持人均產量增加 33 %，讓旭東藉由IT+OT，聯手實現自動化邁向智能化的路徑。
結論
在工業4.0架構下，工業物聯網與大數據計算將成為未來工業的發展主力，要達成智慧製造的願景前，工廠自動化是未來製造業的必要作為，根據產業特性，如何進行工廠自動化並提升製造現場效益，增加企業在未來的的競爭籌碼，是邁向工業4.0之前的重要關鍵。
延伸閱讀：智能+製造，數位化管理的數智工廠
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