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机械资讯 763期
凤记国际中空成型机智慧化演进

文/黄裕仁
凤记国际机械股份有限公司 研发部经理
由于网路资讯发达使得产品寿命加速缩短，少量多样与客制化成为主流，制造业服务化也成为趋势。加上先进国家面临少子化与老年化的问题，造成制造业生态转变与升级的压力，于是德国工业意识到未来将以智慧制造(Smart Manufacturing)为核心主轴，因而推出制造升级计画。
随着德国于2013年正式提出「工业4.0」，各国也随着推出各式产业升级计画。工业4.0是以朝向第四次工业革命为目标，以智慧制造为代表，在生产过程中整合计算、通讯与控制的网宇实体系统(Cyber-Physical Systems，CPS)，具有联网达成分散自我控制、生产单位具自我组织的能力、产品决定智慧生产过程与人机协同弹性作业等特征而建构智慧工厂(Smart Factory)。
智慧工厂是工业4.0的精随之一，包含了智慧化制造、自动化生产、数位化生产、资讯整合制造等特点。
智慧制造系统一般来说包含了制造执行系统(Manufacturing Execution Systemd，MES)、结合虚拟与现实生产的物联网系统、使用机器人取代传统工人的自动化产线、智慧化产线的控制系统等。
台湾在制造业升级也提出「生产力4.0」计画，目标就是「智慧自动化」。以整合科技化硬体与智慧化软体技术，透过智慧化流程(包括：讯号感测、资料处理、智慧决策及作动控制)所创造出的产品、设备、系统、产线，是整厂兼具硬实力与软实力的呈现。
凤记国际机械为因应世界工业4.0潮流以及台湾生产力4.0计画，期许做为智慧工厂的一环以及智慧制造的元素之一，遂于2015年针对主力产品「中空成型机」拟定智慧化机械的蓝图，计画逐年阶段性的完成智慧化机械设备的目标。

第一代智慧化全电式中空成型机

凤记国际的第一代智慧化全电式中空成型机于2015进行开发，在2016年的台北国际橡塑胶工业展览会展推出，该原型机命名为『iBlow』，期许以智能控制系统来做为智慧化机械的基石。
iBlow的控制系统具备生产力4.0的连接埠，包含INA2000通讯协定、11159通讯埠、固定IP等，可直接连结MES系统或OPC (OLE for Process Control)标准介面，藉此可以完全取得所有生产数据与生产管理，包含设定目标产量、产品计数、良率统计、运转时数等，达到统一监控、数据收集与分析等智慧工厂的基础要求，也可于智慧手机与平板电脑上做即时监控。
iBlow于该年的台北国际塑橡胶展之塑橡胶机械研究发展创新产品竞赛获得『所有种类—美学奖』以及『塑胶中空成型机械类—优等奖』等二项大奖。
iBlow同时也达到了以下各项效能指标：
1. 机器耗电量比油压机减少46%实际测试数据是0.29kW/kg比0.61kW/kg，其实是减少52%，但以平均测试条件下统一为46%。(全电机产量123.2kg/hr、整机耗电34.9kWh，比较的油压机产量75.6kg/hr、整机耗电46kWh)
2. 伺服马达耗电比油压单元马达耗电减少83%，实际测试数据是2.8kW比16.7kW。
3. 押出机的齿轮减速马达比一般感应马达配上齿轮箱与皮带轮传动时，效率提升15%以上，耗电减少16~18%(实际测试数据是29.2kW/123.2kg VS21.2kW/75.6kg，计算后是0.237kW/kg VS 0.28 kW/kg)；体积减少78%，噪音降低10dB(分贝)。
4. 押出机输料筒采陶瓷电热片与保温外套后加热效率提升56%，实际测试耗电数据是0.7kW比1.6kW。
5. 模头采陶瓷电热片后加热效率提升49%，实际测试耗电数据是0.9kW，总电热容量是23.46kW，加热效率是0.0384%。而比较的油压机测试耗电数据是1.4kW，总电热容量是18.48kW，加热效率是0.0758%。
6. 移模速度比油压机增加25~35%，实际测试是行程630mm，移动时间是0.9秒，而油压机是1.2秒，速度提高25%。
7. Dry Cycle比油压机缩短39%，实际测试开模0.5秒+模座前进0.9秒+关模0.5秒+模座后退0.9秒=2.8秒。而油压机是开模1.4秒+模座前进1.2秒+关模0.46秒+模座后退1.5秒=4.56秒。
8. 夹模力13.6吨 (136kN)
9. 伺服马达控制精准度± 0.001mm， 重现性(reproducibility) ±0.02mm。
10. 每年可减少约182吨CO2排放量
以产量2250bph(123.2kg/hr)计算，整机耗电是34.9kWh，若是油压机则耗电量估计为75kWh，故全电机约可减少40kWh。以机器运转300天、每天24小时计算，共可减少40kWh*24*300=288,000度电。而台湾的C O 2 电力排放系数是0 . 6 3 2 k gC O 2/ 1 度电， 故可减少288000*0.632=182,016kgCO2。

第二代智慧化全电式中空成型机

iBlow继2016年台北国际塑橡胶展之后，又陆续参加2016年德国杜塞道夫国际塑橡胶工业展览会(K Show)、2017年巴西国际塑橡胶工业展览会、2017年土耳其国际塑橡胶工业展览会，持续向世界各地介绍此全新开发的智慧化原型机。
基于iBlow的成功推出，更加肯定要朝向下一阶段的智慧化机械目标前进，因此立即于2016年底着手进行第二代智慧化全电式中空成型机并定调开发主轴为『eBlowT20s』。以最大规格夹模力250kN、最大产品20公升堆叠桶、单夹模台最大产量130pcs/hr，且搭配「监控与资料采集系统」(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)为开发目标，因为此规格是最贴近实际市场需求，而且对于设计与制造成本也是最有经济效益的选择。
eBlow T20s期许能朝向智慧机械的目标更近一点，也期望可以协助客户做到整厂设备的分析与优化，将工厂效能发挥到极致。
eBlow T20s的控制系统如同iBlow一样具备生产力4.0的连接埠，同时也具备自动提醒的智慧功能，包含耗能显示与推播，预期维修保养之推播提示，故障排除提示说明等，可用以搜集即时资料与进行数据监控，进而搭配MES分析数据结果，来判断最佳化的机器运转排程。eBlow T20s可以执行工业4.0 IIoT SCADA的展示(IIoT，Industrial Internet of Things，工业物联网)，包含趋势显示、保修预警、生产排程、警报管理、报表功能、设备通讯等6大功能。
SCADA系统几乎可以是所有工业自动化过程的一部分，包含了在本地或远端控制，监视、收集和处理即时数据，透过传感器、阀门、泵、马达等通过人机界面(Human-Machine Interface，HMI)系统直接与机器互动，将事件记录到日志文件中等。
要达成SCADA系统的功能就必须建立自动化系统的层次结构分布，或者至少建立层次结构中位于其下方的那些元素。
在自动化系统的层次结构底部是任何自动系统的基本元素：传感器和致动器。传感器检测出会导致系统物理干涉的情况并将过程调整为所需参数再由致动器执行。
第二层的结构则是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controllers，PLCs)。各个机构装置从传感器读取数据并通过由程序定义的逻辑算法将命令发送到致动器，该程序循环运行以控制机器动作过程。
第三层就是SCADA系统。这些系统是允许即时收集由一个或几个PLC处理变异参数的软体元件，从而允许用户监视和控制自动化过程。
构建智能工厂与工业4.0模型就需要从上述三层结构基础开始。
eBlow T20s使用的传感器包含限动开关、磁簧开关、光电开关、压力开关、压力传感器、位置电位计、温度计……致动器则包括气压缸、液压缸、伺服马达等。
PLC控制系统采用欧系B&R控制器。
SCADA系统是采用台湾DELTA DIA View做为监视、控制和记录生产过程与参数。
为了可以在SCADA监控与收集足够或是必须的资讯，除了机器设备原有的控制器外，还需要增加以下额外的硬体设备。
  • 个人电脑或是工业电脑
  • 无线路由器
  • 乙太网路转换器
  • 乙太网路通讯模组
  • 空压流量、压力传感器
  • 冷却水流量、压力、温度传感器
  • 环境温度、湿度检测开关
  • 网路摄影机
藉由PLC与SCADA系统eBlow T20s可以展示与记录以下众多资讯：
1. 押出机即时的螺杆转速、树脂压力、树脂温度。
2. 夹模台即时的夹模与移模位置、夹模力、循环时间等，甚至还可以展示实际夹模与移模位置的动画。
3. 即时的检测数据，包含空压、冷却水、环境条件等。
4. 即时的生产资讯包含产量、产品计数、良品与不良品统计、产品重量、生产效率等。
5. 平均耗电量、总耗电量、总用电费用等
6. 保养周期与说明文件
7. 警报讯息，可即时传送邮件与简讯通知。
8. 以上所有的资讯都有历史记录
9. 远端连线监控
eBlow T20s于2018年的台北国际塑橡胶展推出，同样于塑橡胶机械研究发展创新产品竞赛获得『所有种类—美学奖』以及『塑胶中空成型机械类—优等奖』等二项大奖。

第三代智慧化全电式中空成型机

2018年凤记同时开始发展第三代智慧化全电式中空成型机『eBlow T20d』。
eBlow T20d除了延续并扩充第二代的SCADA功能外，还加入了国立成功大学智慧制造研究中心的全自动虚拟量测系统(Automatic Virtual Metrology，AVM)以及工业技术研究院的振动检测加速规。
eBlow T20d的SCADA系统收集了更多的讯息，包含各层原料输入重量、所有电热片温度、入料座温度、吹风成形压力、环境露点、产品识别码、个别产品的重量与测漏结果、废边重量、押出机马达耗电量、电热片耗电量、伺服马达耗电量、伺服马达电流与温度等。
全自动虚拟量测(AVM)系统，包含一个建模伺服器(Model-Creation Server，MC Server)、一个虚拟量测管理员(VM Manager)、复数个虚拟量测客户端(VM Clients)，及复数个虚拟量测伺服器(VM Servers)。其中，VM Server包含有资料前处理模组(Data Preprocessing Module)、推估模型(Conjecture Model)、先进双阶段演算法(Advanced Dual-Phase Algorithm)、信心指标模组(Reliance Index Module，RI Module)和相似度指标模组(Global Similarity Index Module，GSI Module)。除了基本的VM线上即时推估与 VM 品质评估功能，VM Server亦包括了全自动资料品质评估判断与全自动模型Refreshing的功能。
中空成型成品的品质好坏的判断依据主要是由成品壁厚而来，成品壁厚量系指吹出成型中空成型成品之厚度。在中空成型成品的制造过程中容易因料胚拉伸长度、料胚温度、吹气压力等制程的调整不当产生瑕疵，例如成型时注入空气压力不足或外部温度变化，产生中空成型成品内厚度不均的现象而或料胚拉伸长度过长导致壁厚分配不均等。于模具成型中偶尔亦会于模具与中空成型成品脱模造成之冲击性纹路，此外也有模具温度差异或生产条件变化引起的纹路瑕疵。这些制程的不良容易让中空成型成品产生缺陷、纹路、质变等，造成原物料的浪费和成本提升。
但现今中空成型机产业多数仍仰赖工程师之经验调整制程参数，对于制程品质与机台之稳定性无法即时监控。对于中空成型机生产品质监控，业界所采取的产品品质量测方式为抽测实际生产工件，然而此抽测之方式须事先决定适当的抽测率且须耗费人力及增加生产时间来达成。如欲更进一步达到全检的效果，则必须耗费大量的人力及生产时间，如此将使成本增加。此外，中空成型机制程品质目前并未有一套自动化系统来辅助，仍仰赖工程师之经验以人工之方式调整制程参数，才能达成理想桶样成型状况，如此不仅增加人力负担，而且也相当耗费时间，也会因工程师能力而有差异， 更有可能会有发生错误的风险，而且客户遇到困难桶型时常需要原厂支援。
而全自动虚拟量测系统具备了自动化资料撷取、自动化资料品质评估、自动化模型散出、及自动化模型更新等能力，可大幅节省人工进行资料品质评估与建模的时间，因此很适合应用于虚拟量测的全厂建置与部署。
中空成型机产业传统之制程监控方法为离机量测，考量量测成本与时间乃以抽测方式进行，且从预先选定成品完成后到将其送达量测机台完成品质量测会有一段延迟时间，使得抽测方式所进行之制程监测缺乏异常侦测的即时性。若在量测延迟期间内机台或制程发生异常，此一期间即可能生产出许多具有瑕疵的成品，将造成极大的生产损失。在导入AVM系统后，可以在不增加量测成本下解决此一量测延迟问题，且能使机台监控达到每一件成品均能被即时监控的境界。
eBlow T20d在预测保养上则规划于以下各部件建置工业技术研究院的振动检测加速规，包含移模减速机、夹模与移模的线性滑轨滑块、成品取出的伺服滑台等。
工研院的振动感测器采用MEMS振动感测晶片，同时具备温度以及振动感测能力，并提供数位式资料输出。可整合时域/频域讯号分析系统与振动讯号估测演算法之后端分析工具，提供客户可以在设备端以及后台同步监控设备运作状态以及设定警示。
在此阶段尚未建立智慧型预测保养(Intelligent Predictive Maintenance，IPM)系统，必须以上述振动感测器持续收集运作结果作为建立预测模型的依据，才能够建立完整的预测保养系统。
eBlow T20d于2019年德国杜塞道夫国际塑橡胶工业展览会(K Show)推出，现场的演示带给客户深刻的印象，也确定了凤记朝向的智慧化机械方向是符合市场需求。
2020年由机械公会极力推动的智慧机械云平台计画，配合工研院执行创建产业APP，凤记规划将于二年内开发四大项目APP，包含服务类APP、供应链平台APP、机器生产履历APP、成型APP等。期许藉此能更完整的踏入智慧机械、智慧制造领域的一角，同时带给客户更全面化的智慧工厂蓝图。
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