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5G於智慧製造的應用及發展

刊登日期：2021/01/01

摘要

未來製造業趨勢將面臨少量多樣的高度客製化需求，企業紛紛藉由導入智慧製造來因應市場需求，隨著感測器與智慧科技的導入，衍生了龐大的傳輸需求；5G為新一代的行動通訊技術，具有的技術優勢能夠加速製造業邁向智慧製造。本文將針對智慧製造的發展，以及製造領域中5G的應用機會和主要應用進行說明。

Abstract

Current manufacturing trends show that, in the future, manufacturing industry will face small batch size, diversity and customized requirements from customers. Hence many companies have introduced smart manufacturing in response to the market demands. With the introduction of sensors and smart technologies, the demand for massive data transmission has increased. 5G is a new generation of mobile communication technology with capability to accelerate the manufacturing industry to move toward smart manufacturing. This article will introduce the development of smart manufacturing as well as the main applications of 5G in the manufacturing field.

前言
隨著製造業面臨彈性生產、少量多樣、高度客製化等趨勢，未來製造業者在廠房的產線與設備配置都需要比以往更具有機動調整彈性，才能快速切換產線以面對快速變化的市場需求。為了因應這種需求，未來工廠生產將會結合更多的新興資通訊技術與智慧科技，如感測器、工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)、大數據分析、機器人、人工智慧 (Artificial Intelligence, AI)等，藉由發展智慧製造作為解決之道，因此可以預見的是會產生大量的資料傳輸需求。綜合以上所述，未來工廠需要更高效能的無線通訊裝置來進行資料的傳輸，採用無線通訊可以免除固定式纜線的限制，除了能夠釋放空間外，設備及裝置的空間配置也更具有彈性，甚至能夠隨時進行位置的更換。相較於現行的通訊技術，第五代行動通訊技術 (5th Generation Mobile Networks,5G)具有的優勢能夠讓製造領域內運行的各種智能裝置及可移動設備能夠更廣泛地聯結並在低延遲的狀態下相互通訊，其主要應用領域包含：機器人控制、擴增實境與虛擬實境應用、品質檢測與即時回饋控制、設備預防性維護，以及環境與人員狀態監控。
智慧製造的發展
工業自動化及智慧化是未來製造領域的發展趨勢，世界各國為了強化自身製造體系，以及維持國家競爭力，相繼提出了以「智慧製造」為主軸的政策。其中最知名的莫過於德國所提出的工業4.0 (Industrie 4.0)，藉由工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)以及虛實整合系統(Cyber Physical System, CPS)為核心來打造智慧工廠，旨在維持德國製造業的競爭優勢；美國啟動先進製造夥伴聯盟 (Advanced Manufacturing Partnership, AMP)，確保美國在先進製造領域的領導地位；中國大陸則提出中國製造2025，計畫在2025年實現中國成為世界製造強國的目標：我國政府亦提出生產力4.0，旨在提升台灣產業的競爭力。
智慧製造的核心在於將物聯網導入工業製造環境，在生產製造的過程中透過工業物聯網連結運算、通訊、控制建構虛實整合系統，並整合企業內部的營運流程及對外的價值網絡，形成全新的智慧製造與服務體系以建立嶄新的價值創造方式與商業模式[1]。其中工業物聯網可說是整個智慧製造體系的核心架構，工廠機台不分晝夜24小時運作，任何的延遲或異常都會使企業遭受到巨大的損失，像是機台資料傳輸到雲端進行運算、遠端進行機台的控制和監控，以及機台間的相互溝通和協調等，都需要仰賴穩定、高可靠的通訊及傳輸來發揮效益。
5G通訊技術具有超高頻寬與高速(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超高可靠度與低延遲(Ultra-reliable and Low Latency Communication, uRLCC)，以及大規模通訊(Massive Machine Type Communication, mMTC) 三大特性，其中高可靠度與低延遲及大規模通訊的特性對於工業物聯網有相當大的助益，可以滿足工廠內日益增長的資料量及智慧科技與感測器數量，且5G是無線傳輸，免除線路的束縛後將會引發更多潛在的應用。工業物聯網是企業邁向智慧製造的關鍵，預期工業物聯網在5G技術的加持下將加速智慧製造進程邁向下一個階段。[2]
製造領域之5G應用機會
1.5G通訊於製造領域的優勢
5G通訊技術具備的關鍵技術包含：超高頻寬與高速(eMBB)、超高可靠度與低延遲(uRLCC)，以及大規模通訊(mMTC)，相較於現行的4G通訊技術更有優勢，如表1所示，5G的傳輸速率可達1Gbps以上，是4G的10至100倍，5G的延遲時間可低至1毫秒，相較4G減少十分之一以上，而5G在每平方公里可以支援上百萬個裝置連結，實現真正的萬物互連目標。其中超高速及低延遲的傳輸特性相較於現行的無線通訊技術更顯現出5G在工業物聯網上的發展優勢，高速的傳輸能夠更快速地將數據上傳至雲端進行運算，並即時地反饋到終端進行應用，例如在工業機器人或移動載具的控制方面能夠搭載更多的智慧科技，使機器人或移動載具得以自主因應製造環境發生的突發事件，逐步達到最佳化生產效率以邁向智慧製造。其他潛在的應用如圖1。2.製造領域的無線通訊需求
當前製造領域中的機台設備的連接主要有兩種方式：乙太網路相關的有線通訊技術，以及無線通訊技術如藍芽或Wi-Fi等。有線傳輸的優勢為傳輸高速、安全性高及低成本，因此向來是工業自動化的首選傳輸方式，但在嚴苛的工業製造環境中，高溫、粉塵、火花、金屬碎屑等都會影響線路的建置，相較於無線傳輸，需要更妥善的事前規劃和前期工程時間，在佈線後不僅會占據部分的廠區空間，還需要定期維護，且線路也不便輕易地變動。相較之下，無線傳輸對於工廠的配置而言更具有彈性，優勢在於能夠解除固定線路帶來的限制，讓機台或需傳輸資料的裝置能夠隨產線轉換而彈性調整或是根據不同任務進行移動。