工业4.0

工业4.0大全,从浅到深一篇搞懂它!

 

这并非未来,在工业4.0的时代,是现在进行式。2013年德国《高技术战略2020》十大未来专案纳入工业4.0项目,投资金额高达2亿欧元,提升制造业电脑化、智慧化,至今5年,从概念到实践,领头企业脚步飞快,透过虚实整合、数据分析使用者(消费者)决定生产方向、服务内容、创新商业模式。

 

工业4.0的目标,并非创造新颖的制造技术,而是整合现有的制造资源、销售流程、大数据,建立能够快速反应市场需求、精准生产、减少成本浪费、跨领域合作的制造产业。

 

SAP物联网资深副总裁凯瑟(Thomas Kaiser),接受天下杂志访问时表示:「技术和制造不再是重点,产品只是载具,重点是随产品而来的服务。这是商业思惟和商业模式的深度改变。」

 

未来,商业模式不是由生产者驱动,而是从买方出发,驱动研发、供应链、整个生产系统与服务。改变的速度很快,跟得上脚步,就能掌握风口。

 

何谓工业4.0

 

工业4.0英文为:Industry 4.0,意思是「第四次工业革命」。综观工业历史,从工业1.0使用蒸气为动力,出现机械代替劳力;工业2.0以电气为主要动力,进入电气化时代;工业3.0以电脑协助人力制造,进入数位控制时代;到了工业4.0,则是以「智慧制造」为革命重点。

 

「智慧制造」是将物联网、数位化工厂、云端服务、通讯等技术紧密扣合,创造虚实整合的制造产业,彻底改变一直以来的制造思维。工业4.0的价值是利用物联网、感测技术技术连结万物,机械与机械、机械与人之间可以相互沟通,将传统生产方式转为高度客制化、智慧化、服务化的商业模式,可以快速制造少量多项的产品,因应快速变化的市场。

 

除了制造智慧化,过程中电脑也可记录各种数据,成为重要的资讯资料库,藉由大数据分析优化制造与服务流程,帮助企业创造巨大的竞争力。Google、亚马逊等网路巨头,皆擅长利用巨量数据分析,提供消费者更好的服务体验,甚至和西门子(Siemens)等专业智慧型技术企业进行跨领域结合,开创工业4.0领先趋势。

 

整体而言,工业4.0是连结虚拟与现实的桥梁,让制造过程高度智慧化,逐渐成为制造主流。

 

工业4.0与过去工业发展的差别?

 

在过去传统工业1.0-3.0的时代,是以大量制造降低成本,再大量贩售的商业思维,然而随着网路技术发展浪潮,资讯快速流通,市场追求新颖、独特的产品,传统大量制造模式已不一定适用,加上人力成本日渐高涨,对企业来说是庞大的负担。而工业4.0结合网路与机械,生产快速、产品多样化,让企业降低制造成本、提升竞争力,才能因应多变的市场需求。

 

工业4.0影响了什么?

 

工业3.0时代,广泛应用电子与信息技术、资料库系统、模具,让制造过程自动化,设计、制造、组装、分析都在电脑系统中完成,大幅度提高研发效率,降低生产成本。以工业3.0电子信息化为基础,连结与优化是工业4.0的核心精神。

 

连结制造相关元素,进行优化,大量运用自动化机器人、物联网感测、供应链互联、销售及生产大数据分析,人机协作优化生产流程,提升生产力及品质,以增进企业竞争力与获利,达到单一批量只有一件也可生产的客制化目标,进而提高消费者的互动黏着度。

 

例如,过去知名运动品牌如NIKEPUMA等,一向是以替运动明星开发专属商品,拉抬品牌知名度,然而, 2012年NIKE推出制化运动用品服务,消费者可上网选择自己喜欢的鞋子材质、颜色、花样等,鞋子就会送到家中。就是工业4.0实践高度客制化很好的例子。

 

工业4.0分为三大项目:

  • 智慧工厂:研究生产系统及过程智慧化,以网路连结生产设施,人机协作、提高效能。智慧工厂最重要的目标,是「批量一件也可以做」的高度客制化需求,要达到此目标,仰赖边际运算、人工智慧、数据分析、感测系统等技术,例如ERPMES等系统架构,结合网路连结机械设备与人力,并配合人工智慧、边际运算与数据分析辅助,让制造流程最优化,将传统工厂从「自动化」中数位转型。

 

  • 智慧生产:智慧制造指的是应用网路、感测等技术,分析数据后建立一个从原物料、产品制造、企业经营、包装配送等自动化供应链。让企业提升整体生产物流管理、人机互动以及3D技术的生产应用能力。此项目特别注重中小企业,让中小企业从智慧生产技术中受益,进一步成为工业生产技术的创造者和供应者。

 

  • 智慧物流:智慧物流,指的是以资讯技术为基础,在物流过程中的运输、仓储、包装、搬运、加工、配送等环节,建立感测系统,分析资讯、即时调整,也通过网际网路、物联网、物流网,整合物流资源,充分发挥现有物流资源供应方的效率,不仅降低成本,也让买方能够即时获得订购商品,符合网路发展浪潮,让物流业自动化、网路化、可视化、即时化,实现物流规整智慧、发现智慧、创新智慧和系统智慧的目标,有利于降低物流成本、控制风险,进而达到提高环保效益与配送效率的效果。

 

工业4.0所需要的技术基础

 

发展工业4.0,转型智慧制造,需要以下三大基础:

 

一、物联网(网际网路)

自动化系统必须透过RFID辨识技术、红外线感应、光线扫描、定位系统等技术,连结所有物品,让彼此之间讯息能够交流,建立智慧识别、定位管理的工作系统。

 

物联网技术已受到国际间高度关注。美国将此列为经济与国安的关键,规划以物联网、云端运算为核心的「智慧地球」计划,受到政府大力支持。在台湾,物联网逐渐应用在产品制造、节能减碳、品质管理等面向,例如设备监控、原料库存等领域,都得到良好的效果。

 

二、云端运算

云端运算是一种可以随时随地配置资源的公共空间,能够以最低成本管理、使用,大致分为三类:公共云、私有云、混合云。

目前在工业设计、工业模拟、线上软体、数据中心等需要大量运算能力的领域,有很好的应用机会,例如模拟汽车碰撞、虚拟装潢等,企业不用购买昂贵的软体,只需要支付平台商服务费用,即可使用如CAD、CRM等软体,替企业节省可观的成本。

 

三、大数据

随着科技发展,数据资料量呈现爆炸性成长,电脑的处理能力也远超过人类所及,因此大数据成为产业发展的显学。数位化的时代,人的一举一动都会留下数据,因此从数据中可以窥见人类行为模式,从中找出市场需求,成为企业未来提高竞争力、创新力与盈余的关键。

 

不只是企业重视数据分析,政府也同样明白其重要性,例如美国政府编列预算,以适当的政策协助产业发展Big Table、商业智能、云计算、Cassandra、数据仓库数据集市分散式系统、 Dynamo、GFSHadoop、HBase、MapReduce、Mashup、元数据、非关系型资料库、关系型资料库、R语言、结构化数据、非结构化数据、半结构化数据、SQL、流处理器、可视化技术等大数据分析技术。

 

而在这一波工业4.0的浪潮下,企业与政府正共同努力,持续朝数位转型的方向前进。结合物联网、机器人、感测技术、数据分析的智慧工厂一一成立,延伸到「智慧物流」、「智慧服务」,带动产业升级。

 

未来,企业在AI人工智慧、边际运算与数据分析的辅助下,整合资讯、优化供应链、跨产业合作创新,提供消费者更好的体验,也扩大产业市场,预计到2020年,智慧制造的整体市场规模将会超过3,200 亿美元,尤其是工厂数位化、用户体验、人工智慧,将是最被重视的要素。

 

工业4.0应用,如何改变你我生活?

 

SoLoMo」,意指Society(社会的)、Local(在地的)、Mobile(移动的),整合虚实信息,提升产品价值,就是工业4.0的产业模式。例如:生产老人防走失器,透过互联网的平台,可以远端定位和观察使用者动态;或是将住家与工厂的监控系统与手机相结合,从手机上就能实时收看所有监视器情况等,都是很好的应用实例。

 

再以自动化工具机工厂为例,传统制造流程里,工程师先藉由电脑辅助编写程式,传送到制造工具机,工具机便开始作业,但若是过程中出现故障,必须依靠人力排除才能继续作业,无形中浪费许多人力与时间成本。而在智慧工厂中,透过云端系统、资讯分析,可以即时侦测刀具的破损及负载异常,提早发现问题、及早排除,剩下维修的时间、金钱与人工成本;也能在工作人员设定好排程后自动开始作业,透过温度的系统监控品质、缩小误差,提升产品的精确度。

 

但是,有些工厂虽然已有机械自动化设备,但是距离工业4.0,仍有一段差距。原因在于,工业4.0的重点是强调人与机械的沟通、机械与机械之间的智慧结合,创造智慧化的生产链,而非只是用机械取代部分劳力,若生产流程无法因为机械设备的辅助而变得更灵活、快速、有弹性、并收集相关资讯,那并非工业4.0的价值。

 

例如,由机械手臂取代某生产线上的装配劳力,但若因市场需求而扩张、缩减或更换制程,机械手臂必须能即时切换且不影响交期,才是工业4.0成为未来趋势的原因。

 

另外,机械功能的多样发展,也是工业4.0的重点之一。机器人可依照需求拥有视觉(摄影)判别功能,可判读颜色、形状、位置等资讯,加上手眼整合、连结物联网、感测器,就能精确完成装配拣选的工作,对于3C产业、加工或食品业来说,是提升竞争力的方式之一。

 

人机互动的安全,也是工业4.0所重视的价值,其安全措施包括碰触即停、发出声响警戒、让工作人员及时动作调控等。在机器人中安装感测器,侦测工作中的异样,并将资讯回传至云端,预防故障,使人机工作可以更有保障。

 

工业4.0如何带动企业成长?

 

未来市场会变成什么样子?根据统计,2025年,全球75%的劳动力是千禧世代,人口老化加上少子化,所以劳动力减少,而制造数位化有助于千禧世代投入,机械人也可以替代部分人力,人力短缺的问题就可以得到解决。

 

另外,在全球化的影响下,预估2030年企业产品出口量会是目前的3倍,开发中国家甚至成长4倍,科技就是幕后推手,自动化系统、智慧工厂有助于降低跨国贸易与制造流程管理的挑战。

 

智慧工厂是趋势,包含几个特点:

  1. 感应器会装设在工厂内所有设备、物料、半成品、成品中,除了监控生产过程,也可以记录所有数据,加以分析,借以提升生产品质使消费者产生信赖感。
  2. 大量使用机器人自动化生产,结合IT进行即时品质监控取代传统人力监控,减少人力成本、提高效能、稳定品质。
  3. 全面自动量测(AOIATE、机器手臂等)进行细微的校准调整,也可以因应订单的改变即时制造产品。
  4. 利用现场监控系统,采集大量生产设备及产品资料,传送到云端伺服器,透过Big Data分析,提高决策的正确度。
  5. 累积大量消费者数据,分析了解客户习性、预测客户需求,商业模式从B2C走向以客户需求为起点 ,「多样少量C2B的客制化生产与销售,让客户回流。

 

市场瞬息万变,智慧工厂让企业能够快速应变、满足市场需求,以日渐优异的资讯科技、云端营运管理技术,改变传统商业模式思维,提升竞争力与市占率。

 

工业4.0的发展影响是长远的,为因应快速变化的市场,许多企业选择将制造工厂设置在靠近客户的地方,可以挖掘更多需求,即时作出反应、提供客户所需要的服务。因市场对生产线的弹性需求大增,如何让机器人工作流程更加顺畅、快速是企业在转型智慧工厂时,必须思考的问题。

 

另一方面,智慧工厂可以24小时持续运作,大幅降低制造成本、取代廉价劳力,加上感应器可以在过程中收集大量数据,透过演算法分析可以大幅优化流程,提升生产效率。加上物联网让企业重新思考工厂设备之间的架构,企业如鸿海、甲骨文、西门子等国际知名大厂些在积极布局,全力发展工业机器人、自动化,以及智慧工厂。

 

总结工业4.0带来的影响,对亚洲地区而言,过去低价的人口红利已渐渐失去,传统压低人力成本的制造思维已不适用,必须寻求其他替代方案,建立更有效率的生产方式,来承接需求多样的订单,因此机器人、自动化生产、智慧工厂逐渐蓬勃发展,出现各种创新的应用模式。

 

半导体产业如何转型工业4.0思维?

 

工业4.0是高科技与通讯技术的结合,让生产部门得以拓展,回应日渐复杂的市场需求,因此相关的技术与设备就非常重要。大多数的半导体企业,都有潜力转化为自动化工厂,或是透过加装简单的设备就能建立自动化系统。但是,半导体企业若只是延伸其感测器与其它半导体元件的范围是不够的,现有产品的范围必须要以通讯和低功率微处理器技术予以扩展。

 

另一个转型关键,就是必须具备新思维。维持硬体利润越来越困难,企业要思考的是,如何创造其他优势赚取利润?麦肯锡管理公司提出有助于硬体公司转型软体思维的建议:

 

  • 高阶领导人必须将企业转型纳入营运策略中,带领团队制定完整计画。软硬体团队必须沟通协调,对于目标、时间表、须具备什么功能等等事项有共识,了解彼此的进展。
  • 发挥硬体优势与软体价值,认清现有的优势与危机,例如忠诚的客户、专利技术、品牌形象尚未建立等等,从中挖掘新的价值或制定新的定价策略,例如:使用固定订阅服务,定期向客户收取费用,无论他们使用软体多久或接受升级等,并提供吸引客户的诱因,引导客户购买。
  • 招募不同领域的人才。聘用不同领域、经验丰富的领导人,结合其他产业的专长技术,较有机会创造出独特的优势。要转型成功,公司必须要调整组织架构,而不是期待员工们改变工作方式 

 

 

 

 中国数十年的爆炸式发展,中国将人口红利发挥的很好,已具备完整的工业制造系统,然而过去以代工为主的商业模式,处于中后段的产业链流程,利润与技术较低,市场很容易被其他崛起的新兴国家取代,加上资源消耗巨大与污染问题,中国必须发展工业4.0力求转型、突破困境。

 

 

中国在高科技产业人才丰富,是唯一拥有所有工业类别人才的国家,也是全球最大的需求市场,具有大量生产的能力,成为发展工业4.0的优势。