AIoT自働化控制平臺
01
自働化轉型──生產即作戰(zhàn)
十八世紀中葉以降，在歷經(jīng)機械化、電氣化、電腦化等三次工業(yè)革命的變革，自動化生產的思維已深植人心。自動化即是以機器設備來大量取代人工作業(yè)，讓機器拼命工作以達到節(jié)省人力成本及提高產量的目的。然而自動化所帶來的剛性生產與推動式生產(Push Production)型態(tài)，徒增等候、搬運、不良品、動作、加工、庫存、制造過多（早）等七大浪費；是以豐田式精實生產(Lean Manufacturing)更是倡議拉動式生產(Pull Production)，以現(xiàn)場、現(xiàn)物、現(xiàn)實三現(xiàn)主義消除無馱(Muda)、無穩(wěn)(Mura)、無理(Muri)三無現(xiàn)象，更通過自働化(Jidoka)來逐步演化改善設備或系統(tǒng)。及時生產(Just in Time)與自働化是精實生產的兩大支柱，自働化的意涵在于原有的自「動」化生產要再加上「人」的感應能力跟判斷能力，而及時生產則更是再加諸增強其即時演算與控制能力。
工廠本身是一個動態(tài)的生產環(huán)境，不論是人員作業(yè)、物料供給、生產設備、工法調適乃至于因應管理變革及市場需求，皆需要人的智慧在現(xiàn)場應變。由于制造業(yè)現(xiàn)場長期缺工、海內外相關法規(guī)日益嚴苛、產業(yè)升級導致工法丕變，加之新近疫后所帶來的缺料缺柜沖擊、短鏈經(jīng)濟興起以致供銷重組，以及國際分流采購而更趨向少量多樣乃至短單更短單，在在考驗著制造產業(yè)的應變能力。是以現(xiàn)今的自働化轉型更是在契合數(shù)位轉型的概念重新打造一個擁有靈活的生產架構且適應性強的工廠組織，并以工業(yè)4.0的智慧化理念將人的智慧賦予到設備乃至整個生產系統(tǒng)，未來的工廠將轉型為生產作戰(zhàn)體，以靈活應變源于人、機、料、法、環(huán)、測、管理或市場的任何變化。
02
平臺架構──現(xiàn)場的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)
自働化的進化首將人的智慧賦予設備或外掛伺服控制器(Servo Controller)而成為自働機，以增強感知與判斷來支持基本的安全與運作，亦將擴增周邊工具能力以輔助之直接或間接的生產活動；繼之工序自働化茲以快速切換工法作為柔性生產的基礎，進而產線自働化則致力于動態(tài)配置工作站，并以方便操作的控制面板來確保生產順暢、更以即時站站自主檢驗來確保品質無憂，最終得以實現(xiàn)工廠全廠自働化。產線設備各有其生產目的，即使是升級強化為自働機，亦無法成為萬用通用的生產元，是以更需建置完善而職司分明、分工而協(xié)同一致的工廠現(xiàn)場作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)(Shop Command & Control)，將略述如下：
命令分派
平臺將持續(xù)接收工單與排程資訊并將分派至各產線。產線各個工作站便有如海空步炮等協(xié)同作戰(zhàn)單元，由平臺賦予其個別的Recipe，包含初始設定、節(jié)拍與動作、參數(shù)化工序或工作訊息等指令而組成的命令主旨與工作命令包。
命令傳遞
產線指揮官可在中控室一鍵下達布署、測試、啟動、暫?；蛲Ｖ姑?。命令主旨與命令包透過非同步交換訊息機制，其有如人體的神經(jīng)系統(tǒng)或軍隊的傳令體系，以確保正確無誤地傳遞到各個工作站。
伺服作動
工作站采伺服驅（致）動架構，伺服控制器負責接收工作命令、接收輸入單元如同步器、上個工作站完工半成品、條碼掃描、秤重等資料，即時運算填入?yún)?shù)化工序，轉換機臺控制指令并以緩沖備便的方式逐批（次）送至機臺。
自働控制
除了工序控制外，伺服控制器亦將時時檢測機臺控制元件作動是否異常、偵測工序進行是否是穩(wěn)態(tài)或有偏差、接收自動檢驗設備檢驗結果，以及將即時警訊輸出到蜂鳴器或三色燈等輸出單元，亦可更進階附加智慧控制演算，如深度學習修正PID控制、自適應控制、隨機估算暨動態(tài)控制等。
現(xiàn)場管制
機臺所產生之生產、余料（命）、機臺健康狀況等資訊回傳，可造就層次分明、分層管制的現(xiàn)場管制架構。工作站層級將以控制面板管制機臺之工序執(zhí)行狀況與異常排除；產線層級以產線看板(Kanban)管制號令一致的產線生產循環(huán)，包含布署整備、產線測試、熱機靜置、節(jié)拍作動、統(tǒng)一暫停、排除及續(xù)作、產量監(jiān)控、完工預測與完報工卸載等；工場層級則以戰(zhàn)情看板管制工單分派產線、產線異常移轉、產量率能目標比較，以及差額補單、瑕疵重整、整批重作等作業(yè)。
自働化控制平臺架構
03
虛實整合──腦海里的作戰(zhàn)布署圖
欲如前述，各種工作命令可以正確無誤地傳遞至工作站，需有如同人腦的記憶區(qū)或作戰(zhàn)布署圖般地詳實載記各工作站的配置與其網(wǎng)路位置。且工作站并非永恒不變，工作站可能是機臺設備的組合亦或可能局部元件又去支援其他產線，是以更需時時變動節(jié)調以確保工作命令確實及準時到位。可依布署面向分述如下：
現(xiàn)場實體布署
工場、產線、工作站、致動器等生產管制層次結構。
指揮系統(tǒng)布署
控制平臺、非同步交換伺服器、伺服控制器工作站等命令指揮層次結構。
虛擬工作站
是虛實整合(Cyber Physical)虛實間的接口，依據(jù)IoT網(wǎng)路拓譜、通訊協(xié)定、實體布署與控制程度，可分為：
假節(jié)主從模式(Dummy Master/Slave) ：當機臺自働化能力夠強不需要過度干預，伺服控制器只拋出各機臺工序命令并只是單純地監(jiān)測各機臺作業(yè)。
獨立運算模式(JIT Block/Allow) ：主要是伺服強化機臺及時運算或智慧控制能力，伺服控制器將整合輸入單元或回授以控制，運算后依序傳達工作命令并監(jiān)測機臺作業(yè)。
產線一致模式(JIT Blocklist/Allowlist) ：系為產線號令一致，伺服控制器整合輸入單元，考慮各機臺節(jié)拍，運算后將分序傳達工作命令至各機臺，并監(jiān)測各機臺作業(yè)。
致動支援模式：部分致動支援其他產線，在虛擬空間中可能被分割為不同的虛擬工作站。
04
Recipe—作戰(zhàn)指令數(shù)位化
Recipe在中文里很難有信達雅的詞匯可表述，在傳統(tǒng)上手工制造是純文字或圖文并茂的工作指導書，如最為人所熟知的食譜，可以讓人照本宣科逐項操作；在自動化生產系是將機臺各項生產參數(shù)或命令，標準化后制作成紙本制程卡或工卡，以方便在機臺人機介面(HMI)進行逐項設定；當進展到自働化，則需更進一步將工法工序數(shù)位化，即是兼具人機可讀、機器對機器可讀的數(shù)位化指令，便于更快速的一鍵布達到所有產線工作站，并責令機臺按照指令從事逐令生產。Recipe依制作輸出方式可區(qū)分為：
圖版型Recipe
主要是印刷或輸出型制作，可依其分色、套疊、平行、多側、先后等定義其協(xié)同輸出動作，與其輸出標之色彩、位置、大小尺寸等。
制程型Recipe
用于物化性變化的制程定義，如染機染布過程，其升溫、持溫、降溫等水蒸氣溫控參數(shù)，加上加水、投料、攪動、脫水等動作之染料配比、浴比、水位等設定。
代碼型Recipe
通常以電腦輔助制造(CAM)模擬后所產生之G-Code檔。以加工機為例，從供料裝填、進刀、粗細、退刀、退料等動作持續(xù)循環(huán)，各動作點要何時起動、停止、速度、安定時間等。
圖| Recipe系蝦米碗糕
數(shù)位化Recipe后，產線指揮官便可輕松地在中控室內，依據(jù)工單產品或半成品制造性質遴選各工作站配套之Recipe，亦可呼叫CAE工具現(xiàn)場調修參數(shù)、配比或制程。一鍵布達到所有產線工作站，自動檢測并統(tǒng)一作動與即時監(jiān)視，亦將大幅降低需逐機臺設定、逐臺檢測、逐臺啟動，逐臺巡檢的大量人力。
05
伺服即時運算──單件流的協(xié)同作戰(zhàn)
誠如前述，工作站采伺服驅（致）動架構，藉由伺服控制器較強大的運算能力與外掛擴充能力，可充分完成及時生產時個別工作站所需之自働化目的，可包含：
工序自働化
所有機臺基本動作機能均能在自我偵測下完成；若有異常亦能自動停止，且立即警示機臺狀態(tài)、發(fā)生原因及位置。
檢測自働化
控制元件具驅動及檢測功能，正常會依需求動作；功能失效時，其自身附有檢測防呆機能，防止錯誤檢測。
回饋自働化
回饋的目的為修正與目標值之偏差，如以深度學習自適應修正PID控制。
資訊自働化
設備狀態(tài)及稼動產生之資料，能提供作生產排程、設備維護、技術改善、精度需求、接單依據(jù)等，而日積月累之資訊更可提供經(jīng)營階層作營運之判斷。
圖| 產線單件流控制是一篇交響樂章
當串整所有產線工作站，產線單件流(One Stream Production)控制將是由無數(shù)個工作站單獨奏鳴所交織而成的無人化交響樂章。致使每個機臺工序耗時趨于一致，以真實達到縮短生產周期、提高產品質量、減少轉運消耗的高效管理目的。
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