智慧工厂与自动化究竟是怎样的关系

智慧工厂导入自动化技术行业已久，近年却又兴起智慧工厂的概念，究竟智慧工厂与自动化的关联如何？智慧工厂的应用价值又在哪里？

智慧工厂的阶层可以分为三个层次，第一层是以自动化及控制为主的设备层解决方案，导入的应用为CNC数控设备，以及PLC、I／O、触摸板及运动控制产品为主；第二层为人机界面和监控系统，导入的应用包括HMI／SCADA、整合监控厂务设备、收集实时及历史数据及整合分析效能与节能控制；第三层为生产管理解决方案，导入的应用为MES／EMI，提供生产线工单、投料、备料全自动信息。

一般而言，三个阶层会依序导入，但也有智慧工厂会选择三个层次一起做。如果从数据结构的角度来看，最底层是用控制器直接控制生产线，做一些实时处理，往上一层到了HMI／SCADA，就可以看到历史数据分析及整个工厂的状况，才能发展到下一个阶层的工厂效能、质量分析及生产管理，最后完成全厂的数据分析后，才能链接到ERP。

如果从软件解决方案的角度切入，最上层为实时信息入口网站，然后依序为智慧工厂性能分析和生产执行、综合质量管理、资产管理、工厂数据库、图形监控设备及最底层的编辑与控制，这些作业平台，智慧工厂可以根据需求来建置。

导入智慧工厂应用可以带来的好处，是显而易见的。以LED灯具生产线为例，每一个LED灯具的工序多达数十个，每一个工序都要做好分配。为了追求生产速度，可能就需要20几个人来装配，但导入自动化生产线之后，7秒就可以完成一个LED灯具，而且只需要用到三个人。

但导入自动化之后，生产线的设计也要重新设计，以前述的LED灯具为例，该智慧工厂就将生产线做成ㄇ字型，是因为要考虑智慧工厂现场的空间，以及仓库的位置，如何进出料、如何维修等，才能设计出符合实际需求的生产线形状。

接下来就是进入SCADA，也就是SupervisoryControlAndDataAcquisition，凡是具有系统监控和数据撷取功能的平台，要搭配相对应的软硬件，才能称之为SCADA。

设置SCADA的目的，是希望透过计算机的实时监控设备，提供系统设备作整体的监视、控制、自动定时纪录、打印及查询并提供设备的实时运作状况。智慧工厂可借此建立长期的设备维护数据，有效的运用维护人力资源，提高设备维护质量及设备运转效率。SCADA可满足各式各样的系统设备，如电力监控系统、空调监控系统、消防监控系统、门禁监控系统、制程监控系统等。

另一个攸关智慧工厂应用的项目是图控系统。专家指出，图控接口要成功，必须要先理解，人与设备间的接口，其实存在于控制设备与屏幕图形之间的对应关系，真实世界的设备、感知器或控制器，转成计算机屏幕的各种对象时，要能做到完全对应，工程师需要一点美学修养，才能呈现接近真实世界的状况，让控制人员能够藉由屏幕图形就能显示设备运作状况及透过屏幕控制设备的运转。

一套完整的监控系统，需要许多组件的构成，以制程设备监控系统为例，制程设备上要有感测及制动装置，并将数据转换及传送到控制系统，控制系统至少要具备显示、记录、调节及致动等功能，由操作人员根据前台后传的数据进行处理。因此所有的数据在送到后台时，一定要妥善处理，如有70％的警告可能只是误报，监控系统要有能力做判断。

除了前述的系统平台外，硬件架构也需要妥善考虑，才能建构出智慧工厂。首先是联机的基本需求，通信协议应该要尽量选择市场现有的，尽量减少自行开发，以免设备之间的联机产生问题。

其次是选择仪控设施，目前的仪控设施接口，非常多样化，除了有目前盛行的Ethernet外，过去的RS232／422／485仍然还是有在使用。其实智慧工厂也不一定非Ethernet不用，因为考虑建置成本，过去的投资不一定要舍弃，但不同的仪控设施接口，会影响通信线路的配置，包括设备、距离、速度及成本等，工厂在导入解决方案时，要做好取舍规划。而在计算机设备的选用方面，包括联机计算机数量与配置、工作环境、计算机规格及外围装置，都要做好充分考虑。专家认为，选用的关键完全取决于系统的承受度，该用服务器就得用服务器，不要因为节省采购成本，而选择较为便宜的计算机设备，因为一旦选择错误，导致设备常常故障或当机，维护成本未必划算。

至于监控网络架构的考虑方面，要考虑的项目包括工作站的任务分配、网络架构规划、网络流量控制及网络安全考虑。在架构规划时，可以依照控制责任区分、人机接口规划及网络功能配合等方向来考虑。

以控制责任为例，可以分为控制器及图控计算机，前者重视的是实时性、高可靠性，适用低阶逻辑性／模拟性之控制，后者则是要求强大的数据处理能力，适用高阶控制。至于每一个交换器要装几个控制器，则是取决于对于速度的要求。

人机界面规划方面，一定要导入人因工程的观念，不管是使用习惯或是图形大小，都能符合使用习惯及现场状况，如旋钮的方向、大小及颜色等，要达到直觉、简易、防误等要求，其他项目如操作流程、展示方式及安全管制，也都要以符合使用者习惯为主要考虑。
至于网络功能方面的配合，建议应配合已普遍使用的Windows内建网络功能，并采用高效率的TCP／IP层对层通讯方式，让多部计算机互相监看及控制，以达到资源共享及互相备份的目的。
MES往往是智慧工厂必须要导入的应用。智慧工厂如果在生产过程中，发生太多问题，如停机、生产损失、返工太多、发货时间错误、无法符合行业规范标准的需求、物料短缺、无法跟踪原材料的使用及客户投诉和产品召回时，可能都要认真思考导入MES的必要性。

因为面临前述问题，管理者必须要做出对应策略，碰到各种问题时，要靠MES才知道原因为何，如何改善，如在接到急单时，由上到下的信息若能做好整合，就可以在短时间内知道相关备料是否足够，判断能否承接订单。

由于节能减碳的需求日增，智能节能系统也已成为智慧工厂常见的导入项目。以能源管理系统为例举出，从收集量测、监视分析、控制管理、卸除到最后的节能，其实需要设法整合各自独立的系统，如电力及照明监控、空调监控、停车管理等，才能达到节能、减碳进而减费的目的。

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