你一定要知道的工業4.0 未來工廠的革命浪潮

industry4slider

文/杜紫宸

什麼是工業 4.0

工業 4.0 簡單的說,就是大量運用自動化機器人、感測器物聯網、供應鏈互聯網、銷售及生產大數據分析,以「人機協作」方式提升全製造價值鏈之生產力及品質。如果以德國西門子在 Amberg 先進實驗工廠經驗推估,工業 4.0 化後之生產鏈,可提高其生產價值至原先十倍以上,一般認為將是下一代工業革命之濫觴。

工業 4.0 的精神是連結與優化,連結製造相關元素進行優化,以增進企業競爭力與獲利。日本廠商重點在追求「零停機、零待料」,德國工業 4.0 終極目標則設在相同成本下,達到經濟批量為 1 的「最大客製化」生產彈性。

以機械加工為例:如果在工具機上裝設多個感測器,擷取零件加工時的各種製程數據,監測切削刀具及機台狀況。在刀具過度磨損前即可得到預警,及時更換,以提高產品良率。就設備而言,則可以隨時掌握機台狀況,預先規劃保養時程,避免非預期當機而影響生產。在這個例子裡,連結了幾個製造相關的元素: 感測器、工具機、資料分析軟體、以及生產執行系統。優化結果因良率提升而減少廢品損失、延長刀具壽命、降低的刀具成本、避免非預期當機所降低的生產效率。

再以球鞋客製化生產為例:如果業者在網站上提供球鞋的各種部件及顏色、材質選項,讓顧客可以選擇喜好部件顏色、材質進行客製化組合,並且網路下單,則企業可依顧客喜好及尺寸製造球鞋,提高顧客滿意度。為了保持客製化生產迅速交貨,企業必須將顧客網路下單資料、企業管理系統(原物料供應、生產排程),與工廠實體生產線連結起來。優化結果:在極短交貨時程下完成客製化製造,在不增加成本條件下,即便一件數量的訂單也能接。

哪些是可以連結的製造相關元素

存在電腦中或透過網路可取得的資料,以及工廠裡實體物件,都是可以連結元素。

(1) 電腦或網路的資料,例如零件設計圖檔、感測器量到的監測數據、顧客網路下單資料、企業管理資訊、社群網站對於特定產品意見等。

(2) 實體物件,例如工廠裡待組裝的零件、機器手臂、輸送帶、控制器、工具機、檢測機台等。

(3) 人員也是連結的一環。企業之內的人員,如收到預警而更換切削刀具的現場人員、產品設計者、企業決策者;企業之外的人員,例如機台遠距維修工程師、物流提供者、零售商、顧客等,都是製造網絡中重要的參與者。

工業 4.0 優化的目標

工業 4.0 對於不同產業有不同的意義: 例如資源耗用大的產業,連結的首要目的是節能;例如產品線非常多樣、庫存成本也高的 B2C 企業,導入連結與優化的目的可能是減少庫存還能即時供貨。因此,企業各有其優化的目標,端視導入項目的成本與效益做為考量,所以工業 4.0 是可自由選擇之自助餐而非滿漢全席。

Augmented reality visualises complex production processes

Augmented reality visualises complex production processes

一般企業可優化目標,在資源方面如工廠的智慧節能;在製程方面如以感測器監測生產線加工狀況,即時線上修正,或回饋到工程設計修正,以提高產品良率;在資產使用效率方面如透過遠距監測、數據分析、預知保養等方式達到設備使用效率的極大化;在人力資源方面如藉由「擴增實境」協助人工作業、使用機械手臂於人機協作,提高人力資源運用效率;在庫存方面可連結上下游廠商以達到實時供應鏈優化及批量優化;在品質方面如經由統計分析與製程控制提高產品品質;在供需匹配方面則可透過數據分析驅動需求預測或價值導向之設計以優化供需匹配;在上市時間方面如連結顧客及夥伴以協同創作、開放式創新、同步工程、快速試製與模擬等方式,縮短上市時間;在售後服務方面,透過預知保養、遠距維修、虛擬引導自助式服務等方式提高客戶滿意度。

工業 4.0 等於「機器人+自動化+大數據」嗎

工業 4.0 的概念是連結與優化。機器人、數據分析都是達到優化可用的工具,是否使用,則視優化的目的而異。不同產業有不同優化目標:例如資源耗用大的產業,連結首要目的是節能,因此生產線監測相形重要,機器人或自動化便不是重點。

對於人工成本占比高的工廠,工廠可以機械手臂替換人工操作,並且把多個製程連結起來導入自動化,如果導入性價比高,便走向全自動化,甚至是關燈生產。但是有些生產線的工作不適合以機械手臂替換人工操作,就可透過其他資通訊工具(如簡單的客製化工作指引,或複雜的擴增實境)協助員工作業,以減輕員工負擔,提高生產力。這兩種工廠都符合工業 4.0 精神,只是工具與手段不同。

大數據分析在工業 4.0 有各種不同的用途,例如對於切削刀具支出成本高的工廠,可以藉由數據分析達到延長刀具使用壽命,對於產品線多樣、行銷與庫存成本都很高的 B2C 企業,則可以連結客戶資料、社群網站討論資料、區域收入成長與人口分佈等,進行數據分析與優化,達到精準行銷、即時供貨、減少庫存等目的。

因此,機器人或大數據是達成工業 4.0 可使用的工具或手段之一,但使用與否,則因工廠或企業優化需求而異,必須以導入這些工具的成本與效益做為主要考量。

工業 4.0 與以往有何不同

可連結的元素比以往更多,可回應的速度更快,可連結的範圍更廣,因此可優化的目標更多樣,效益更大。可連結的元素比以往更多:如機台或生產線可連結眾多感測器,工業互聯網可以極快的速度實時 (real time) 回應。可連結的範圍更廣:如可以連結與整個產品生命週期相關的人、事、物。可優化的目標更多樣:如工廠內各種非預期狀況的自動因應、設備預知保養、產品的售後服務。

製造業未來的情境是什麼

某些產業適合大量客製化產品,未來商業模式將有很大改變。以球鞋大量客製化為例:既然客戶可以在網路上選配客製化產品並且直接下單,製造業將有更多機會由 B2B 延伸到 B2C。 (1) 產品走向回應式生產,也就是接到訂單才開始生產,降低庫存成本,減少滯銷品的損失。(2) 發生長尾效應:採用回應式生產,產品生命週期得以延長。(3) 獲利公式重新計算:製造業可由 B2B 延伸到B2C。(4) 具有少量也可接單的能力,將因此增加新的客戶與訂單。

台灣如果不推動工業 4.0 將會如何

製造業競爭已由成本、品質、交期、推展至最低採購數量與客製化服務滿意度。台灣產業如果不積極從事工業4.0轉型努力,極可能改變台灣企業在全球供應鏈中之角色與價值,甚至在下一波工業革命浪潮中,完全被淘汰。

有些產業以品質與成本為重,如機械加工,競爭對手藉由連結與優化維持品質、同時還能降低成本,而台灣停留原地,將難保有現在供應鏈的地位。

有些產業在競爭者間成本與品質差異不大,但若能「快速交貨,訂單量少也能接」的企業便具有較大優勢。台灣現有之產業結構,以中小企業居多,以往以靈活接單、彈性生產、快速回應能力取勝,未來這方面的優勢維繫,必須仰賴工業 4.0 化。

工業 4.0 未來必然改變國際產業布局,重新分配價值與利潤。當國際大廠藉由資通訊工具有系統進行製造連結與優化,交貨速度更快,批量少到 1 件也能接時,台灣業者現有之優勢不再,在全球供應鏈中的角色被取代,將是未來極大隱憂。

(工業技術研究院 知識經濟與競爭力研究中心)