透視工廠自動化的內幕
102/12/10
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楊憲東｜
成功大學航空太空工程學系
賴旻琦｜
成功大學航空太空工程學系
國家地理頻道〈超級工廠〉以及Discovery頻道〈生產線上〉、〈製造的原理〉等節目，帶領觀眾深入高度自動化的巨大廠房，一睹超級機器誕生的過程，並見證原始材料變為日常物品的科技。鏡頭裡那些讓人看了嘖嘖稱奇的自動化機器，究竟是如何控制的呢？自動化工廠又是如何規劃建設的呢？
自動化工廠
節目中常看到24小時運作的自動化生產線上，機械手臂既快速又平穩地把物料放到生產線上，物料在各工作站以自動化設備加工，半成品經由輸送帶或地面磁導帶上的無人搬運車送往下一個工作站。
完成品在生產線末端由機械手臂卸載到棧板，再轉移到倉儲庫。由電腦控制的堆高機在貨架通道間穿梭，當滑行到正確的貨架位置後，以兩部雷射測距儀調整搬運台的水平與垂直位置，把完成品搬進指定的儲存箱。
規劃建設
節目中，工廠內部各項自動化設備很有節奏感地協同運作，生產流程非常順暢，不會發生物料堆積堵塞在輸送帶上的情形。這是因為事前做了詳盡的設施規畫：決定機器擺放位置；分析製造流程，最大化設備使用率以增加產能；安排物料和人員的動線，減少非必要的活動。
現今3D虛擬工廠模擬軟體可在電腦中動態呈現整個作業流程，並產生統計圖表，使充滿變化和不確定性的流程有了科學的定量分析。應用這項技術，在投資前期可評估不同設施布置所帶來的影響，預測未來的系統績效，從而降低投資風險。製程的模擬可找出生產的效能瓶頸並想辦法消除，以提高生產率。生產線平衡分析可以平衡工作量，並有效率地調派資源。
神經系統
在節目中，看到操作人員坐在舒適的中央控制室就能掌控整間工廠的運作，而偌大的廠房裡工人卻很少，這一切是如何辦到的呢？
產品從物料到上市，牽涉市場分析、產品設計、加工製造、經營管理、售後服務等，各個環節緊密相連。
1973年，小約瑟夫․哈靈頓（Joseph Harrington, Jr.）提出電腦整合製造的概念，把分散的各種電腦化製造技術與生產管理統整成單一的電腦整合製造系統，使企業內部資訊共享，發揮整體效益。導入電腦整合製造系統是大多數工廠自動化重要的一環，讓獨自運作的各單機設備串連成一條自動化生產線。
時至今日，網路、電腦和資訊科技突飛猛進，各個自動化機器設備已整合到電腦系統中，因此能即時傳遞正確的資訊給相關人員加以分析與管理。這個電子化資訊系統由上而下可分成：
商業智慧系統—目的是從龐大的資料中萃取菁華，增進企業經理決策的效率與品質。其中，資料採礦模組可找出資訊中隱藏的趨勢、問題或關聯，員工就更能辨別問題的根源並預測未來的結果。
企業資源規劃系統—主要掌管工廠的財務、訂單及生產需求，使辦公室自動化。
製造執行系統—是工廠自動化的關鍵，全面控制與管理從工單發出到產品完成的生產過程，並提供即時訊息給上層的企業資源規劃系統。
資料擷取與監控系統—負責蒐集全廠區生產機台的生產資料，透過網路遠端傳送各生產線設備的第一手訊息。
自動化設備—獨自運作的各單機設備。如此，企業內部的物流和資訊流全部自動化，製造、管理及營運三者緊密結合而可通盤考量。
自動控制的原理
整廠的自動化是由上層的電腦整合製造系統發號施令及監督管理，而收到控制命令的自動化設備又是如何自主控制的呢？
自動化設備的種類雖千變萬化，然萬變不離其宗，整體系統的組成分為控制器、致動器、受控體及感測器。
受控體泛指那些要被控制的對象，例如機械手臂末端夾爪的位置和姿態。
致動器是驅動機構產生動作的動力來源，常見的致動器如馬達、油壓缸及氣壓缸。馬達種類繁多，如步進馬達、感應馬達和線性馬達，分別需要不同的伺服驅動器提供所需的動力。
控制命令與回授的量測值之間的誤差值，經過控制器內部的控制演算法計算之後，控制器會輸出控制電壓訊號或數位脈波訊號給致動器，以解決追蹤誤差與穩態誤差的問題。
感測器和致動器的完美配合，才能達到控制的最高境界—高速響應與高精確度。響應的快慢操縱在致動器，而精確度的高低操縱在感測器。
當系統簡單、負載變化小，且控制性能要求低時，以現場手動調整控制器參數即可。但是對系統複雜、精密的設備，或機器易毀損的情況，則需先建模，即受控體須先用數學的模式表達出來，才能設計出適當的控制器。
電腦輔助工程分析軟體可協助研發人員對受控系統建模、模擬、驗證、設計最佳化、自動產生程式碼及控制器的硬體實現，大幅降低研發成本，縮短產品上市時程並提升品質。
過去，常用數學建模，用數學表示物理現象後，得到動態系統的模型，並以系統識別法使用實驗資料來辨識、校準模型參數。
惟現今工程師面臨更嚴峻的挑戰，需要處理的物理系統涵括多個專業領域，如機構、液壓和電力電子系統。因此有物理建模新技術的崛起，工程師不再需導出數學式與設計程式，直接使用軟體所提供的物理元件庫中如齒輪、三相電機、液壓缸等，建立多領域物理系統模型，再輔以實測資料估測模型參數。如此一來可縮短建模所需的成本與精力，讓工程師專注於控制設計，能有效且準確地動態模擬數種電子與機械設備的行為。
機器運作的掌控
每部自動化設備內都有一個控制平台，負責掌控整部機器的運作。為了讓自動化設備相容於上層的電腦整合製造系統，加上現代對於控制器功能的要求很多，如順序控制、I∕O 模組、運動控制、人機介面、網路通訊及機器視覺，使用有完整技術支援的控制平台是必然的。如此可使用統一的開發介面，減少不同軟硬體相容性的障礙。
目前工業界的兩大主流控制平台，是可程式化邏輯控制器（PLC）和工業電腦。PLC穩固可靠，售價便宜，周邊模組樣式齊全。工業電腦強大的運算能力適用於機器視覺，有令人熟悉的視窗介面，且容易連接網路。
控制平台有6個子功能，它們用於控制自動化設備內的各個次系統。
順序控制系統—是依預先設定好的順序或條件，逐步進行各階段的工作。順序控制的控制輸出經常只有動作或不動作，感測訊號則是完成或不完成，因此可組成簡單的邏輯電路，常應用在動作順序不變或較為固定的生產設備。
I∕O 模組—所謂 I∕O，就是輸入及輸出。控制平台是透過類比或數位 I∕O 埠和周邊裝置連結：按鈕、指示燈、計數器、極限開關等的數位訊號是以數位 I∕O 模組與它連接；溫度計、超音波感測器等的類比訊號則需要轉換成數位訊號才能和控制平台連接，所使用的是類比轉數位模組。大多數簡單的機台所需要的 I∕O 埠少於 100 個，複雜的產業設備如觸控面板組裝機則需要高達 500 個 I∕O 埠。
運動控制系統—是使機器能夠按照預定動作執行高速高精密運動的核心技術。機器運動通常是構築在馬達運動上，因此馬達控制的好壞會直接影響機器的定位精度。運動控制模組的基本功能，是輸出類比電壓或數位脈波指令給伺服馬達驅動器，以控制馬達的位置、速度或扭力。
更進階的功能是多軸同動控制，例如要控制XY平台把工作物從A點移到B點，可用2D直線補間功能計算出X軸和Y軸馬達的控制指令，讓位移和速度變化量不同的兩顆馬達能同步啟動及停止，而完成工作物的平移動作。
人機介面—隨著機台設備功能複雜化，需要控制和顯示的機台狀態變化多，又要簡化操作，因此現在很多自動化設備會配備觸控螢幕操作介面，內建圖形化人機介面軟體，讓操作員能快速且視覺化地操作機台。
資料擷取與監控系統用於監控整座工廠各個設備的運作情形，就是電視節目中看到的中央控制室電視牆上的圖控畫面，算是整座工廠的大型人機介面。系統圖控軟體還會把各生產線設備的第一手訊息上傳到製造執行系統，讓公司其他部門人員在辦公室中就可掌握生產進度，準確告訴顧客何時可以交貨，以及調閱每項產品的生產履歷等。
網路通訊系統—自動化工廠裡的每部設備都需要連接上網，以便電腦整合製造系統能透過網路發送生產資料到各機台。而全廠區生產機台的生產資料經資料擷取與監控系統圖控軟體彙整後，也需要透過網路即時上傳到中央資料庫。
隨著自動化設備功能日益複雜，需要控制的馬達數量很多，因此衍生出具有網路介面的伺服馬達驅動器。這種新世代設備是以即時網路通訊如PROFINET、sercos III、EtherCAT等為基礎的串列式伺服運動控制，是用一條光纖或同軸電纜線串連多個伺服馬達驅動器，可有效解決傳統伺服控制技術面臨的多軸同步與即時性能不佳、配線繁多、易雜訊干擾等問題。
機器視覺系統—工業級攝影機搭配快速影像處理技術，可用於瑕疵檢測。例如，每小時檢測36萬顆藥丸的外觀是否有裂痕，剔除不良品，讓消費者能夠安心服用。
近年來，機械手臂結合機器視覺成為新潮流，自動化設備因而看得到也摸得到。視覺空間定位和運動控制的技術整合，將廣泛應用到3C電子產品與零組件的取放及組裝。例如，被譽為21世紀新型光源的發光二極體（LED）在其封裝製程中，依靠機器視覺做自動化圖像比對而準確對位後，再由機械手臂高速高精度地把LED粒晶放置到基板上，使得黏晶速率提高又可靠。
未來應用
隨著科技的進步，以及技術精密度的提升，傳統的人力生產方式再也無法滿足科技產業的需求，以機器取代傳統的人力，邁入無人化工廠的時代勢必來臨。
未來自動化技術會更普及，深入到生活的各個層面，例如陸海空交通工具的自動駕駛系統、微創手術的機械手臂、家電機器人、農作物生長環境的自動控制系統、天然災害自動預警系統、分子合成與量子計算的自動控制系統等，使生活更加方便與安全。
