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以5G技術全面驅動智慧工廠

圖1 : 工研院機械所所長饒達仁。(Source:工研院)
圖1 : 工研院機械所所長饒達仁。(Source:工研院)

[作者 季平]

資策會產業情報研究所(MIC)研究指出,2023年全球5G智慧製造的應用服務市場達2.52億美元規模,隨著5G技術的逐漸成熟,預期2026年全球5G智慧製造應用服務市場規模將達400億美元。

IHS Markit的5G經濟(The 5G Economy)報告則指出,2035年由5G所帶動的工業物聯網相關產值將逾5.2兆美元,其中,製造業產值達3兆3,640億美元。另一方面,隨著5G技術的需求大增,帶動晶片、模組、系統整合、電信設備、電信服務等領域百花齊放。

5G加速智慧工廠實現 提高良率與產能

然而,雖然5G技術為製造及生產環境提供有力支援,目前多數工廠採用的無線通訊仍以Wi-Fi為主,傳輸品質、穩定度未臻理想,傳輸距離不夠長,4G LTE雖符合多方條件,速度與頻寬與5G相比仍居劣勢,僅限於少數應用場景。

工研院機械所所長饒達仁指出,目前Wi-Fi5傳輸距離短,缺乏穩定性與安全性,不適用於智慧工廠,加上智慧工廠網路無線化應用需求大,更需要5G技術的超高頻寬與高速、超高可靠度與低延遲、大規模通訊等特性強力助攻。

工廠導入5G工業務聯網(IIoT)後,不僅有助蒐集、整合從設計端到服務流程的各類數據,還能透過即時與海量數據制定策略,即時支援,即時決策。舉例來說,5G通訊技術可以使工廠內的生產設備、機台與運輸載具更智慧化,可以利用AI瑕疵檢測數據分析,再透過5G即時製程檢測的資料產生及傳送,加速遠端製程調整,提高生產檢測精準度,大幅增加產品良率與產能。

饒達仁進一步指出,5G具有超高頻寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)、大規模通訊(mMTC)特性,被先進國家視為驅動工業4.0的關鍵技術,可提供奠基於工業物聯網(IIoT)的智慧工廠與物流系統所需之聯網通訊技術,以及具成本效益的解決方案,還可透過行動通訊技術建立專網,讓現有基礎設施快速上線,廠商因此可以將智慧製造系統近乎無縫整合至完整的生產線與供應鏈,如英國電信(BT)建置工業4.0的5G專網智慧工廠,工廠產量提升2%,同時可確實掌握生產現場各機械的運作狀況。

近年來已有不少5G在智慧工廠落地的案例,如德國博世(Bosch)與諾基亞(Nokia)合作,在2020年底於斯圖加特-費爾巴哈的工業 4.0示範工廠建立第一座5G廠域網路運轉,所有工廠生產環境均可流動、可相聯,生產機器、設備及運輸載具都因5G技術變得更智慧。博世全球工廠內已有超過12萬台機器及25餘萬台裝置完成互聯化,互聯化解決方案讓生產效率提升25%,機器可用性提升15%,維護成本則降低了25%,未來博世將在全球250家工廠中陸續導入5G技術。

圖2 : 博世集團工業4.0營收累計突破40億歐元。(Source:Bosch官網)
圖2 : 博世集團工業4.0營收累計突破40億歐元。(Source:Bosch官網)

台灣的5G智慧工廠也在全速前進,如全台共有18座智慧工廠的半導體封測大廠日月光(高雄廠)早在2020年底與中華電信、高通聯手打造5G毫米波(mmWave)企業專網智慧工廠,在工廠產線導入AI+AGV智慧無人搬運車、AR遠端維護協作、AR教育館體驗等應用。

2021年9月,電子大廠台達與遠傳電信、台灣微軟(Microsoft)合作,於桃園一廠生產線導入5G專網、AMR自主移動機器人、AGV無人搬運車、AI瑕疵檢測數據分析、AI產線平衡、智慧監控、MR混合實境等應用。台達側重於引進智慧設備、提升人力及轉型,以及提升每小時單位產能,5G商用生產線同時導入Microsoft HoloLens混合實境及物聯網數位雙生技術,落實5G MR遠距廠房管理、維修監控、遠端產線巡檢,大幅降低人工作業,單位面積產值提升75%,人均產值提升69%。

圖3 : 導入5G後,智慧無人搬運車裝設相機搭配AI及大數據分析,可進行產線自動巡檢(AI+AGV智慧無人搬運車)。(Source:日月光官網)
圖3 : 導入5G後,智慧無人搬運車裝設相機搭配AI及大數據分析,可進行產線自動巡檢(AI+AGV智慧無人搬運車)。(Source:日月光官網)

5G毫米波(mmWave)的優勢與劣勢

5G技術所以能夠驅動智慧工廠加速實現,主要在於5G毫米波運用於智慧工廠、智慧製造具有許多優劣。舉例來說,5G毫米波具有超高網速(最高10Gbps)、低延遲(0.125毫秒)、高頻寬(最大400MHz)等技術特性,應用於智慧工廠,可以結合全廠高清晰攝影,做到智慧監控、分析改善關鍵製程品質、提升產線員工精準度與效率、遠端機器人控制、AGV車精準定位與協調控制,還能結合AR輔助自動化生產組裝與排障。

不過,饒達仁不諱言,5G技術存在二項劣勢,一是訊號射程短(200-300公尺),容易被建築物或工廠內大型機具阻擋而產生訊號衰退;二是覆蓋範圍有限,必須建置許多基地台來傳送訊號,如此勢必大幅增加5G建置費用。

此外,超低延遲與高可靠度雖是5G的強項,但不是沒有天花板。3GPP與ITU-R的規定是,5G URLLC必須同時滿足兩個條件:32 bytes以上封包數據量成功傳輸率達99.999%以上,以及無線區間延遲達1毫秒以下,但實際應用時卻無法達此要求,特別是對延遲要求最為嚴格的「運動控制」。CC-Link IE標準化組織對於運動控制所要求的通訊延遲約是微秒(μs)等級,即便控制系統中的某些用途允許包含應用程式處理在內約1-10毫秒的延遲,技術難度仍相當高。

當產業進入5G增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband;eMBB)商用階段,也就是2020年定義的3GPP Release-16(5G技術Phase 2規格),超可靠度和低延遲通訊特性(Ultra-reliable and Low Latency Communications;URLLC)可以與工業4.0結合,加速產線導入智慧製造技術。未來,3GPP的R17版本還會持續針對IIoT技術進行優化,並加入更彈性的NR-Light標準,以滿足工業物聯網的多元應用需求,但是在技術優化的過程中,業界普遍對於5G公用網路存有極大的資安疑慮。

對此,饒達仁認為,電信公司提供5G企業專網服務有助5G專網獨立運作,不受通訊擁塞影響,但建置5G企業專網相關設備的投資成本過高,因此一般中小企業對於5G專網的導入意願並不高。

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2022.8月(第83期)5G智慧工廠
2022.8月(第83期)5G智慧工廠

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