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可程式視覺控制器 助傳產導入工業4.0

中央商情網/ 2015.11.30 00:00
科技部運用法人鏈結產學合作試行計畫之十(中央社台北2015年11月30日電)未來不管是10歲的小孩或是80歲的老人,在居家中,都能享受智慧管家的照料;出外有監控設備保護,享受安全又安心的生活是每一個人的夢想,要達到此一境界,如何用科技促動生活環境的每一個環節與日常用品「智慧化」會是重要關鍵。

然而,要到達智慧化成效所涉及的技術卻相當廣泛,除原本的產品功能外,還必須具備資訊收集、傳輸、分析、運算、回饋與反應的功能,這些額外的功能意味產品體積、耗能的增加。以一個生活中處處可見的監視攝影機為例,過去攝影機只要能拍攝、錄影即可,智慧化的監視攝影機除了前述的基本功能,還必須具有將拍攝下來的視訊畫面進行辨識是否有意外情況,再針對意外情況警告相關人員的自動反應功能。

面對物聯網 (IoT)、工業 4.0 的智慧化時代來臨,設備與設備間的連結和溝通成為首要工作,不過,國際級設備廠在不同領域有各自山頭,設備間的相容性並不高,要讓不同設備能夠相互溝通地「連結 (Link)」在一起,困難度不小,需要軟體及作業平台支援。

「連結」設備困難又麻煩,不如「整合」設備,解決工業 4.0 需求的物聯網,更革命性的做法是將兩個或數個設備整合在一起,創造出全新的產品,概念雖然簡單,但最大的門檻就在整合的技術。

工研院及中央大學合作研發的「可程式視覺控制器( 以下簡稱:PVC)」正是集攝影機、工業電腦及可程式邏輯控制器(以下簡稱:PLC)於一體的新產品,這項整合型創新產品的問世預料將可成為明日之星。

PVC 是一個嶄新概念的產品,整合視覺檢測、控制與智慧聯網在一個微型系統的工業 4.0 概念產品。

簡單的說,可程式視覺控制器是將智慧攝影機(Smart Camera)、工業電腦以及可程式邏輯控制器三個設備整合在一個單一模組上的產品,由於內部不需複雜的通訊連結,也不需要耗費冗餘的系統資源去執行網路協定轉換,省去了大量空間、低耗電並解決設備相容性的問題。

具三大核心技術

擁兩項多國專利可程式視覺控制器產品的計畫主持人為中央大學資訊工程學系副教授陳慶瀚,他解釋傳統連網自動化過程,需要複雜的連線、通訊協定、網路管理,同時搭配軟體作業系統,為了高速運算,需要採用高階中央處理器(CPU)、記憶體 (DDRRAM) 及快閃儲存器 (Flash Memory) 等,所需的成本、空間跟功耗都非常龐大。

陳慶瀚指出,PVC有三大核心技術:「影像處理硬體加速器」、「PLC的 PLCopen 硬體加速器」和「工業物聯網虛擬機器 (GVM)」,因此得以實現高速即時的視覺檢測和運動控制,以及遠端聯網開發、部署和監控。整合這些功能的 PVC 系統裡沒有作業系統,因此使用最低功耗的處理器就可以達到高階影像分析、運動控制和聯網功能,這又讓成本更精簡、性能更高、耗電更低。

「PVC 除了具備整合工業 4.0 核心元件功能,更擁有體積小、成本低、耗電低三大優勢,我們將工業攝影機、工業電腦及 PLC 變成單一個模組,大小只有2.5cmx2.5cm大小,甚至比目前全世界最小的工業攝影機(3cmx6cm) 還小」。必須強調的是,PVC 最大亮點並非只是把三項設備整合在一個模組上而已,重點在於自動化設備連接到雲端後的「虛實整合」,聯網是最低的需求,聯網後能做些什麼才是價值所在。

陳慶瀚解釋,傳統的檢測工作需配備一個程式設計師及一個測試工程師,連上網後,就加入遠端開發、測試及監控功能。以目前西門子的設備為例,可以做到遠端監控,但新製程的開發必需要有工程師在現場執行。未來虛實整合後,透過虛擬機器可隨時改變 PVC 執行功能流程,相較於傳統需要專業工程師去修改,有了極大的彈性及便利。

另以食品業為例,倘若原定的製程因為節慶、消費者喜好變化等特殊情況導致產品的溫度、濕度及口味需求需要變動,新型態的虛擬機器即使專業工程師、檢驗師不在現場,也可以在遠端進行參數及程式修改,甚至非專業工程師就可以操作。每個人在PVC 上都可以寫程式,如此一來,設備即使是賣到印度,在台北就可以進行新版程式測試,完成後再傳過去。

此項新產品除了可以在遠端進行程式修正,還可以更進一步的在沒有後端工業電腦和 PLC 的環境下,獨立執行取像、影像處理 / 分析、檢測、定位、追蹤等機器視覺功能,而產品中的 PLCopen 邏輯及運動控制等 PLC功能,就可以藉由智慧聯網功能實現工 業 4.0的 虛 實 整 合 (cyber/physical integration) 生產目標。

在專利布局上,PVC 智慧影像技術還有兩項多國專利,包括鏡頭變形校正技術和超解析度影像插補技術,這兩項技術都採用先進神經網路訓練,可以達到高性能的超廣角、高精度的智慧取像目標。在產業應用上,PVC可以用做工業視覺檢測、定位與控制整合、物件辨識、機械手臂的視覺導引等。

如傻瓜相機概念

讓使用者輕易上手綜合言之,PVC 就是要讓每個使用者都可以輕易上手的設備。讓原本程式設計師才能做的事,一般人也可以輕易上手,就如同「傻瓜相機」的概念一樣。陳慶瀚表示,希望能由PVC的發明,幫助台灣傳統產業快速輕鬆導入工業 4.0,強化產業競爭力。

工研院在與陳慶瀚溝通研究成果的發展需求後發現,以專利布局、技術完整度來說,PVC 屬於相當完整的研究成果。因此在輔導上,除了協助尋找資源開發雛型品,更重要的協助在於商品化之後的專業知識能力養成。由於陳慶瀚的研究成品在市場上具有相當大的商機,其研究團隊也有藉此研究成果挑戰市場的雄心壯志,但是對於研發以後的產品定位、目標客戶、行銷策略等方面卻不甚熟悉,因此工研院邀請陳慶瀚研究團隊參加產業學院開辦的智財商業化相關課程,藉以養成商業化所需的基本能力。

由於陳慶瀚研究團隊全程參與工研院開辦的「優質專利申請」、「專利加值與行銷服務」及「發展新創事業」三班次共120小時課程,鑑於研究團隊的企圖心與技術的商品化潛力,工研院再推薦團隊接受專家一對一輔導,以成立新創事業為發展目標提供專業知識與諮詢服務,幫助研究團隊釐清短中長期的產品定位、成立方向、階段性目標、策略手段等。

此外,在輔導過程中,工研院也協助研究團隊媒合未來可能合作的廠商,透過與未來銷售對象的洽談,持續精進產品及修正行銷計畫,同時累積團隊對於未來成功切入市場的信心。經過這一連串的努力,研究團隊也已經在工研院的協助下尋求資金挹注,將於 104 年底由團員成立新創企業。

面對未來,陳慶瀚表示,由於 PVC的耗電量是一般工業攝影機的 1/5,這還不包括傳統製程監視模式還必需有工業電腦的搭配,整體耗電量的差異性極大。初期市場鎖定中小企業的生產自動化需求,希望透過成本優勢打開市場。在產品價格定位上,陳慶瀚表示,入門款系統 PVC 會比目前智慧型攝影機最便宜的還低;高階版則會與市面上中階產品價格相當,主打以中階成本享受高階產品服務。

陳慶瀚進一步解析,工業 4.0 現在最大問題在於各家設備要 Link 在一起有極大困難,國際級設備廠在不同領域有各自山頭,設備間的相容性並不高,再加上跨領域的並不多,例如,西門子有很強的 PLC 設備但沒有工業攝影機,因此他相信整合型產品將成為未來趨勢。

一個新世代的興起,難免會衝擊到既有產業的架構。陳慶瀚預測,具革命性的工業 4.0 如果真正實現,很多設備和服務勢必將消失或轉型,甚至有專家預測將有 50% 的企業會面臨轉型或倒閉,但同時也會帶動更多小企業竄起,從現今資本及技術密集的經濟體,走向資本分散、技術分散的扁平化經濟,讓社會資源更平均,是打破現在經濟困境的一個機會。

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