對整合式工廠自動化採取全面性作法

試著回想製造業數位化的早期，普遍各自為政。設計與規劃、機器編程和生產活動之間幾乎沒有共享任何資訊。工程師會向決策部門取得 CAD 和物料清單 (BOM) 的影本，然後在廠區手動編程機床。之後若出現生產問題，這些工程師會直接解決，而不會向產品設計人員回報問題及相關修正方案。這種設計與製造之間的斷連，使產品無法得以改良，進而以更簡單快速且成本更低的方式製造。

但今時不同往日。現在，連線能力是現代工廠的核心 (圖 1)。工業乙太網路將設計、規劃、編程和生產活動連結起來，使工廠各部門能共享資訊，甚至連接至全世界。如此一來，資訊得以自由流轉，工程師能最佳化裝配流程，進而提高生產力和品質，同時最大程度減少浪費。

圖 1：連線式工廠讓工程師能快速更新裝配機程式，將品質和生產力提升至最高。(圖片來源：Omron)

欲速則不達

在工廠全面建立連線無疑是件好事，但要建立這種系統也同樣絕非易事。成本和複雜性通常會導致網路執行無法互通的軟體和無線協定，這些協定仰賴的控制器、感測器、可編程邏輯控制器 (PLC) 和人機介面 (HMI)，也通常由許多不同廠商製造。面對這種情況，工程師需要投入大量時間進行權宜變通，確保一切運作正常，不會崩潰。但為求運作如常而持續修修補補，會使維護和升級成本翻倍。

現今有些專業商用解決方案能克服互通性和相容性挑戰。這些產品一般都很有效，但缺點是會增加複雜性，且總是在使用零碎拼湊的解決方案。另一種方式是採取全面的作法，使用單一供應商的完全整合式自動化平台，其中網路、組件和軟體元件設計可彼此和諧運作。

什麼是完全整合式自動化平台？

「完全整合式自動化平台」是行銷簡冊中經常出現的用詞。但其確切涵義究竟為何？雖然定義因人而異，但自動化供應商 Omron 將網路描述為「將製造工廠的資訊科技 (IT) 和營運技術 (OT) 相互連結」(圖 2)。

圖 2：製造工廠的完全整合式自動化平台，由 IT 和 OT 網路組成。(圖片來源：Omron)

網路的 IT 部分包含決策部門和工廠自動化部分。其中，決策部門負責進行設計與生產規劃，工廠自動化則負責機器編程、操作人員介面，以及機器對機器 (M2M) 通訊。整合式自動化平台的 OT 部分，包含工廠和機器監測、感測器、機器人及機器控制。

Omron 的 Sysmac 即是此類平台。Sysmac 可簡化整間工廠的連線，因為此平台採用工業乙太網路連線 (適用於 IT 和工廠自動化的 EtherNet/IP 以及適用於 OT 網路的 EtherCAT)、單一機器自動化控制器，以及共用式監控軟體。

自動化控制器是此平台的核心命脈

機器自動化控制器 (以下簡稱「控制器」) 是 IT 和 OT 網路之間的關鍵連結；在 Omron 的解決方案中，此控制器為執行 Sysmac 機器控制軟體的工業 PC。控制器根據 IT 系統確定的製造協定，同步控制所有機器動作、安全性、視覺、機器人、感測和資料庫連線。

Omron 的 NX102-1020 是此控制器範例之一。此控制器無需閘道器就能處理來自 IT 資料庫的資訊。另外，該控制器還能監測機器安全性和維持生產品質，同時十分精準快速地控制機器。此裝置採用 Intel Core i7 微處理器，能在短短 0.37 ns 內執行基本指令，而且每 125 µs 就能更新伺服機和步進馬達接收的命令。感測器會將機器位置、位移和齒隙資訊迅速回送至控制器。因此即能讓凸輪順暢動作，以及機器軸以高精密度移動。

NX102-1020 (圖 3) 寬度為 66 mm，設計小巧緊湊，具有三個工業乙太網路連接埠 (兩個 EtherNet/IP 和一個 EtherCAT)、一個 CPU 單元和一個電源供應器。此控制器符合 IEC 61131-3 標準，涵蓋 PLC 中控制程式的基本軟體架構與編程語言，並使用 PLCopen 功能塊進行動作控制。

圖 3：NX102-1020 控制器尺寸小巧緊湊，具有三個工業乙太網路連接埠、一個 CPU 單元和一個電源供應器。(圖片來源：Omron)

單一軟體平台

工廠中由幾種形式拼湊在一起運作的軟體，可能會是工廠自動化平台的致命弱點。要維護這種系統並使其順暢運作，需要投入大量時間，也可能使工程師無法專注於生產製程的最佳化。

為因應這一挑戰，Omron 提供單一軟體套件解決方案執行其整個系統，包括對 NX102-1020 控制器進行編程。此軟體 Sysmac Studio (圖 4) 實際上是一個整合式開發環境 (IDE)，且隨附客製化的 3D 動作模擬工具。與 Omron 控制器一樣，此 IDE 完全符合 IEC 61131-3 標準。此 IDE 允許以變數進行編程，因此工程師不需要學習 PLC 的內建記憶體對應。這也代表程式能重複使用。

圖 4：Sysmac Studio 隨附客製化的 3D 動作模擬工具，讓工程師能檢查及改良生產製程，而不貿然實作。(圖片來源：Omron)

結論

連線式工廠是製造業未來的趨勢，但要連結各個環節並順暢運作，具有一定的挑戰性。可採取全面性的作法，使用一個完全整合式自動化平台 (網路、組件和軟體零件來自同一供應商)，達到無縫合作，並讓人員能專注於生產製程的最佳化。