機械工業雜誌

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5G 虛擬工具機控制服務與數位雙生沉浸式互動

刊登日期：2021/11/01

摘要

貿易戰、疫情衝擊下，供應鏈全球在地化、生產基地快速重建化，少量多樣、首件即成品的需求，製造業必須借重新技術大幅提升效率以快速應變市場需求。5G網路興起將改變智慧製造技術樣貌。隨之而來的低延遲分散式工業控制、遠端渲染沉浸式互動技術為智慧製造帶來新契機，也是全球大廠積極佈局的新市場機會。本文介紹5G工業網路發展現況，包含虛擬控制服務與數位雙生沉浸式互動以及法人單位投入5G工業應用研發現況，包含實體控制器虛擬化、控制器數位分身單元、遠距協同製程診斷等應用情境，期能開創工具機控制器應用服務新藍海。

Abstract

Impacted by the trade war and the pandemic, the global supply chain is localized and the production base is rapidly rebuilt. On the other hand, demands for small amount and variety, the manufacturing industry must use new technology to improve production efficiency in order to quickly respond to market demand. The 5G networks is a promising new technology that will transform the paradigm of intelligent manufacturing and trigger new business opportunities. This article introduces current status of industrial 5G applications as well as research activities such as immersive interactions between virtualized control service and digital twins, which includes virtualization of CNC, digital twins of CNC and remote collaborative process diagnostics. All the research activities are aimed to create the blue ocean market for the next generation machine tool control service.

前言
工業發展至今已經歷四個階段:第一階段機械化階段(工業1.0)以蒸汽或者水利作為驅動的動力來取代人力、畜力，實現工廠機械化取代手工生產模式，逐漸發展成以工業或機械製造等為主的經濟模式。第二階段電氣化與自動化階段(工業2.0)，因內燃發動機和發電機的出現，進入由繼電器、電器自動化控制機械設備生產的時代，使的產品得以大量生產。同時也促進輪船、汽車、飛機等交通工具快速發展。第三階段電子資訊數位化階段 (工業3.0)，網路資訊的發展應用可連結全世界，精密機器的發明，使製造過程自動化控制程度大幅度提高，大幅提升工業生產效率與品質，逐漸取代部分人力及腦力的工作，使的大空技術、電腦、人工材料、基因工程等科技高度發展。第四階段智慧化階段(工業4.0)，由德國於漢諾威工業展覽中提出之概念，核心概念是利用工業物聯網及網宇實體系統，將製造業、甚至整個產業供應鏈互聯網，實現設備智慧化，透過大數據收集，經由智慧設備分析、決策、調整控制並串聯為智慧製造生產，讓供應鏈中的一切流程都變得更⸢智慧⸥，產出高品客製化產品。
工業4.0由大數據與AI分析、水平與垂直整合、雲端運算、擴增實境(AR)、工業聯網(IIoT)、積層製造/3D列印、自動化機器人、數位分身、網路安全等9大主要技術支撐，藉由技術的應用實現智慧工廠，透過收集物聯網設備上感測器資訊，分析目前製程狀態來改變當前設備管理的作業流程。技術人員可以即時監控設備效能、預測和預防停機時間、採用動態和預測性維護、利用數位分身系統，以及將設備與業務流程密切整合。但無論系統的自主性有多高，設備始終需要進行維護，運用AI和感測器數據，人員可掌握製程現場作業的現況，迅速制定決策，並在出現問題時隨即進行處理，經由穿戴式裝置和擴增實境應用協助現場人員問題排除，並且保障人員安全。智慧製造發展關鍵是人工智慧與巨量資料，資料必須高效率傳遞才能發揮作用，因此5G在其中扮演極關鍵角色，特別是超低延遲特性，才能讓各種科技應用落地發展。
在全球製造業面臨前所未有的挑戰，轉型智慧製造的過程中，要克服的最大瓶頸是整合營運技術(OT)與資訊科技(IT)，台灣製造業正面臨數位轉型的發展，如何透過5G加速智慧製造落地，並推向規模化應用，將是發展重點。本文將介紹虛擬工具機控制服務與數位雙生沉浸式互動如何應用於5G智慧製造彈性生產上。
5G如何在工業4.0中扮演關鍵角色
5G為第五代行動通訊技術（5th generation mobile networks）簡稱，根據國際電信聯盟（ITU）IMT-2020規範，5G峰值理論速率下載速度為20 Gbps，上傳速度為10 Gbps，比現有4G網路快了將近10倍，同時5G擁有低延遲（uRLLC）、高頻寬（eMBB）以及支援大規模聯網部署（mMTC）三大特性，從工業4.0角度來看，主要應用在自動化、協作型工業機器人、製程控制…等方面，讓上、中、下游業者進行更有效率的垂直整合，幫助各種智慧製造領域技術突破，甚至開創新商業模式生態鏈。
智慧製造所產生的大數據透過5G進行雲端基礎運算，如圖1所示，就能將機器自動化、網路資源最佳化等人工智慧發揮到極致，來逐步優化供應鏈中數據的採集、分析、處理、控制流程，並結5G低延遲通訊特性，加速AR導入工業精密機器，以異地同步協助維修保養或操作教育訓練，這些都能協助傳統產業升級。