5G在智慧製造之應用：材料世界網

蔡孟勳／台灣大學機械系；梁碩芃／工研院智慧機械科技中心；莊健平／中正大學機械系

在建構智慧製造系統時，無論是運動控制、智慧感測、線上量測、人機協同、智慧決策、線上教導或人工智慧等，都需要大量數據，當這些海量資料湧入雲端，接連而來會產生如處理資料慢、冗餘資料、資料延遲等問題。由於5G通訊有著超寬頻、低延遲、彈性高以及高可靠性等優勢，在產業應用上受到相當大的關注。本文首先分析5G特性，並透過3GPP (3^rd Generation Partnership Project)組織所定義的標準與規格以及5G工業聯網自動化聯盟(5G-ACIA)所公布的白皮書，來說明5G在智慧製造方面的應用。經由不同案例闡述各種不同應用下對於5G規格的要求，最後透過實際案例來說明國內外產業對於5G在智慧製造之發展現況。

【內文精選】

前言

近年來，在工業4.0的浪潮下，自動化工廠逐漸演化至智慧自動化（智動化）工廠。在智動化工廠下，智慧製造(Smart Manufacturing)整合了運營技術(OT)、訊息技術(IT)以及通訊技術(CT)等三大技術。OT包含機台操作、生產、自動化，乃是傳統工廠的核心。而智能化的過程，透過各種感測器元件如聲音、影像、溫度以及加速度等IoT元件之蓬勃發展，再加上CT技術，無論是有線或無線，感測後之數據透過網路而使數據能夠大量且有效率地累積，從大量數據轉化為價值不斐之相關訊息，再加上人工智慧的崛起，樣樣都在改變智慧製造的樣貌。

5G特性以及應用範疇

依據國際電信聯盟(IMT)提出之IMT-2020計畫，勾勒未來5G行動通訊應用於製造業的技術包含：①高可靠度和低延遲通訊(Ultrareliable and Low Latency Communications; URLLC)；②增強之行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband; eMBB)；③大量機器間通訊(Massive Machine Type Communications; mMTC)。這些技術使得5G具有低時間延遲、高網路強健性、架構彈性智慧化工廠以及高頻寬傳輸能力等四大特點，此四大特點可能會改變整個智慧自動化與智慧製造的生態。以下將分別針對這些技術特點對於智動化所衍生的重大變革進行說明。

5G標準及國內外研究

5G的發展可以由第三代合作夥伴計劃(3GPP)組織所定義的標準與規格來說明。2019年12月上旬，3GPP在西班牙錫切斯(Sitges)舉行的3GPP RAN全體會議上，制定了下一階段5G標準3GPP Release 17 (Rel-17)。

對於5G應用於智慧製造以及工業自動化的場景，在3GPP Rel-17第5.3節之未來工廠上，將5G之應用分為工廠自動化(Factory Automation)、程序自動化(Process Automation)、人機與生產資訊化(HMI and Production IT)、物流與倉儲(Logistics and Warehousing)、監控與維護(Monitor and Maintenace)五大分類來探討。後續將就十大應用場景與五大分類進行連結，如表一所示，其中包含如運動控制(Motion Control)、控制器之間的通訊(Control-to-Control)、行動機器人(Mobile Robot)等。繼之透過分析未來工廠的挑戰，如即時性、安全性、確定性、整合性以及監控性等，說明導入5G的優勢。

由於5G技術對於未來產業至關重要，因此Bosch、NTT DoCoMo、Vodafone、諾基亞、愛立信等國際業者組成5G工業聯網自動化聯盟(5G-ACIA)，積極推動5G在工業生產領域落地，而台灣工研院、四零四科技、是德科技等公司也已加入，此聯盟主要是探討5G工業應用相關的技術、法規、商業模式的國際論壇。而此聯盟於2019年公布了5G for Connected Industries and Automation的白皮書。如圖一所示，此白皮書將5G三大特點：①高可靠度和低延遲通訊(URLLC)；②增強之行動寬頻(eMBB)；③大量機器間通訊(mMTC)放在圖一中三角形頂點。

圖一、工業案例與5G特點之關聯圖

5G實際應用範例

智慧製造的精神主要是希望整合物聯網、雲端運算、AI大數據分析等現有技術，打造一套智慧型整合感控系統，並建立具適應性與高效率的智慧工廠，以提供完善通路與銷售。而5G技術可能會變成每一項技術趨勢的「膠水」，當越來越多專業運算無法即時在雲端處理，就需要邊緣計算平台，5G技術即是連接於大量感測器、邊緣計算模組與雲端平台的膠水。如圖二所示，由於5G具有URLLC、eMBB以及mMTC等技術，結合5G於智慧自動化技術將提供未來工廠更多革命性的想法。例如馬達驅動器與控制器未來的佈線如果是以5G串聯，那麼一台控制器連接全場100台驅動器並不需要複雜的佈線，這100台驅動器可能安裝於自動化設備、機器手臂或是工具機，整個運動控制的架構將大大改變現有之思維。

為了因應5G的發展，工研院智慧機械科技中心也架構了一套類5G產線，如圖三所示。圖四為實際場域與類5G系統架構對照圖，目前智慧機械中心已經將場域建構完成，並透過LTE基地台連線到伺服器。下一階段將導入5G基地台…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。