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食品業智動化
by 吳俊逸 2016-11-15 15:47:19, 回應(0), 人氣(1968)
資料參考來源: http://new.abb.com/tw/about/publication/abb-connects-2016-01/food-and-beverage

行政院於去年頒布「生產力4.0發展方案」,明定食品業為五大重點產業之一。作為民生工業的基礎,食品飲料業是一個上下游緊密關聯的產業集合。因此可預期智慧製造對食品飲料業的影響,將體現在從原料供給到配送銷售的全面智動化升級。普遍認為,安全、能源效率、生產力與生產資訊可視化將是食品業發展智慧化生產的重點方向。

自2011年德國提出「工業4.0」概念後,各國無不逐一提出強化製造業競爭力的政策計畫。行政院也於去年頒布「生產力4.0發展方案」,希望妥善發揮台灣在資通訊技術的優勢,促成製造業的全面升級。在生產力4.0的五大重點產業中,相較於電子資訊業、金屬運具業、機械設備業和紡織業,食品業顯得格外特別。曾經,食品業在台灣經濟發展的過程中扮演極重要的角色;如今,食品業將再次成為關注的焦點,不僅作為穩固國家安全的基礎民生工業,也成為拓展海外市場的新契機。

食品飲料產業概況與特性

據ARC與IMS研究報告分析,全球食品飲料產業的自動化資本支出約為190億美元其中,90億美元投資於製程設備,70億美元於包裝及物料搬運設備,剩餘30億美元為產線自動化,預估至2020年的年複合成長率達5%。從地域別來看,前兩大市場為亞太區與歐洲區,各佔33%與27%。若將整體市場細分,則有36%的自動化投資集中於乳製品及飲料業,16%於肉品及海產業。

食品飲料業面對競爭者眾且極動態的大眾消費市場,產品必須不斷推陳出新,同時具備成本競爭力。因此,因應產品生命週期短,少量多樣的生產需求,製程要在短時間內彈性調整,還得兼顧品質。而從食品飲料業的原料供給與銷售市場兩端來看,由於食品飲料的選擇性多,替代性高,使得一般大眾的價格彈性大,一點小幅度的價格變動都可能造成短期需求的銳減。但對原料供給面,食品飲料業的價格彈性就小。以日前油電雙漲時期為例,多數廠商選擇自行吸收成本,暫不將其轉嫁於消費者,主因也是顧及消費者可能流失的考量。在上述情況下,對某些業者而言,營運成本可高達總成本的75%,造就食品飲料業對總持有成本(Total Cost of Ownership, TCO)與整體設備效率(Overall Equipment Effectiveness ,OEE)格外看重。

該產業另一個不容忽視的特色便是對食品衛生安全及可追溯性的高度要求。據統計,全球不良食品與飲品的召回成本,每年平均達三千萬到一千萬美元。為確保食品安全,從上游原物料供給到生產、包裝、配送、倉儲及終端銷售的榮辱緊密相連,形成一個高度關聯的產業鏈。反應在自動化投資上,「生產資訊的水平與垂直整合」、「產品及生產資訊的可追溯性與可控性」、「設備的即時監控與OEE分析」等成為產業的典型需求

食品飲料業的生產力大躍進

從食品飲料業的再工業化或製造升級角度來看,資訊科技(Information Technology, IT)與操作技術(Operation Technology, OT)的融合,可望帶來更高度的自動化與智慧化,提升小批量生產的盈利能力,極大化資源利用率,以及提高工作環境與產品的安全性。高度自動化下,降低人為因素影響,可更大範圍地標準化生產程序,提高產能,為產品品質把關。若從成本面拆解,直接人工成本約佔十年總營運成本的47%,能源成本約佔21%,維護成本約佔21%。換言之,透過自動化技術將可顯著減少上述三項成本,對於電力與水資源的使用也將更有效率,達到生產競爭力提升與永續經營的總體目標。

進行中的食品業生產智慧化

食品飲料產業依其產品與製程屬性,略莫可分為乳品、飲料、油品、糕餅糖果、糖、肉品與海鮮、榖類等類別。各類的製造工藝不同,關注的生產問題也不同,依其自動化與數位化程度,更是分落在工業2.0與工業3.0的不同區段。然而相同的是,都在邁向生產智慧化的這條道路上,都對工業4.0有著又愛又怕受傷害的躊躇。因此,多數業者傾向於在活用現有資源,且不大幅變更產線與製程的前提下,藉由增加輔助裝置與設備來微調既有運作流程,以達到智能管理、彈性生產、安全倍增的生產智慧化。

近年來,可看到越來越多的自動化與智動化應用在國內外的食品飲料產業中開花結果。從這些案例中發現,「生產資訊的可視化與可控化」、「以機器人為核心的產線自動化」以及「食品與工作環境的安全化」,是具備成本效益誘因且業界優先踏出改變的第一步

生產資訊的可視化與可控化

面對一般消費大眾市場的食品飲料業,每日要處理的生產資訊龐雜至極,為數眾多的原物料不說,產品配方也是百百種。在食安問題頻仍發生的情況下,廠商與政府單位都格外注重產品的可追溯性,以及如何透過生產智能化管理系統將生產資訊變得可視化且可調控,進而確保產品品質。因此,具備一定生產規模的食品飲料業者多導入整廠整線製造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)來收集現場資料。所謂的MES泛指用來協助企業從接單生產、製程控制到產品完成期間,主動對生產設備進行大規模的資訊採集、整合、儲存、展示並提出分析報告的應用軟體

但光有MES系統已無法解決現今食品飲料業者的生產問題。以全球排名前二十大的某乳業集團為例,該生產基地含括常溫、低溫、冰品三種產線。常溫產線的日產量為800噸;低溫為350噸;冰品為300噸。先不論龐大生產體系的驚人資訊量,現場仍有許多數據仰賴人工抄表。加上各功能別有不同的資訊,如生產部門的排程與產量報表,設備部門的運作績效表,品管部門的品質檢測與追蹤資訊等,還不算倉儲與訂單系統的整合。導致用戶頗為多重數據的重複登入、手抄資訊整合及訊息孤島的狀況所苦惱。

 為解決上述問題,該集團導入ABB的MES軟體──Decathlon,讓生產資訊變得可視且可控之外,也將自動化設備與子系統整合,建立廠級的生產管理平台。其他成效有:

一、將設備、物料、配方數據等透過Decathlon和集團ERP系統進行雙向資訊交換,完成集團內的資訊垂直整合。

二、改採感測器與工業儀表的數位資訊採集,建立無紙化生產,提升現場管理效率。

三、實現從預處理、超高溫殺菌、灌裝批次追蹤到產品包裝追蹤的即時資訊提供,提升產品與製程參數的可溯能力,讓品質管理更到位。

四、完成不同廠牌的設備運作績效管理和生產追蹤。

其他案例如阿華田的瑞士工廠,需從500多種原料生產四個品牌的產品組合,ABB協助完成ERP系統與ABB 800xA控制系統的無縫連結,將自動導引車(Automated Guided Vehicle, AGV)、條碼掃描器、事務機和秤重設備納入整合,落實全自動化。另外在瑞典的餅乾企業Göteborg Kex、瑞典的油品製造商AarhusKarlshamn、瑞典的Absolut Vodka、丹麥皇冠集團(Danish Crown)等,都是ABB生產智能化管理系統的代表實績,協助客戶解決能源效率提升、安全監控、產能倍增等生產問題。

以機器人為核心的產線自動化

食品飲料業的產品有著生命週期短且少量多樣的特性,令產線規劃愈趨向於彈性生產模式。此外,為因應可預見的全球勞動力不足情境,著手導入以機器人為核心的產線自動化例子越來越多。在台灣,通過IP69K認證的ABB工業機器人,在鳳梨酥、鬆餅、綠豆冰糕、可樂、啤酒的生產過程中皆有實績。

一般來說,構成產線自動化的元件有:工業機器人、機械安全產品、運動控制產品、防水馬達與變頻器、低壓元器件、PLC、儀表與分析儀器等,依各廠基本條件與需求而有客製化設計。論及以機器人為核心的應用,多為取代人工的取放、包裝、搬運與堆棧作業。以「白色戀人」聞名的石屋製菓公司,由於餅乾的易碎問題,每日需安排約20名人力來挑撿與包裝餅乾。據此,石屋製菓在不大幅改變製程的前提下,在產線上增設了ABB IRB360 FlexPicker與影像檢測設備。以機器人搭配視覺系統來挑撿易碎餅乾,並藉由秤重來確認是否有異物混入。包裝時以影像檢測設備來確認餅乾擺放位置、角度與數量,一旦不合標準便可由機器人來修正。如此提升了作業效率與良率,也降低中長期人力成本。

義大利的冷凍烘培業者Prodal公司同樣選用IRB360 FlexPicker取代人工,在輸送帶上以圓形運動軌跡,自動塗抹披薩餅皮上的番茄醬料,達到塗料用量與塗抹位置的標準化。瑞典Fernebrand Chark肉品加工廠則說:「機器人的切片與包裝精度超過人類所能達到的準確性,速度更快也更加衛生安全。」在糕餅糖果業的應用有,搭配超音波刀具來自動切割三明治,依據電腦繪圖為蛋糕進行點綴裝飾等。

搬運與堆棧作業的應用更多,也是最容易自動化的生產程序。考量啤酒桶、糖包、礦泉水罐等重量非人力可輕易搬運,德國知名的Rothaus啤酒廠,採用ABB IRB 6640在產線上執行重達數十公斤的啤酒桶搬運工作。澳洲最大的食品加工廠George Weston Food也以多台IRB 6640來達成每小時9000箱產品的堆棧工作。隨著製程中斷時間減少而提升產能,同時降低人員搬運的工作風險。

食品與工作環境的安全化

產品衛生與食用安全性是食品飲料業在生產過程中最首要遵行的最高指導原則,各類產品的食用安全性檢測與管控作法卻是大相逕庭。好比前些時候討論熱烈的食用油,其精煉步驟大致可分為脫膠、脫酸、脫色、脫蠟和脫臭,檢驗指標有酸價、碘價、苯駢芘等。生產商與檢測單位得在各查核點取樣,以精密的檢測分析儀器來確認成份與判定是否合格安全。ABB製程光譜儀FT-NIR可謂是食安守門人的一項利器,透過光譜檢測技術讓混酸配方的分子結構與組成比例清楚呈現,可多點偵測,實現產線上的離線與即時連線把關。近年來,在國內油品、飲品業及研究單位皆已累積成功案例。

除了食用安全性外,食品飲料業的工作環境安全亦是製程上不容忽視的重點。由於其工作環境中常有重型製程設備、粉塵、噪音、高溫、高壓、化學藥劑等,使得產線上的設備須滿足國際上對惡劣環境耐受度的能力檢驗,製程設備與產線規劃也都得將人員的安全操作納入設計考量。機械安全產品作為確保安全運作的核心要素,各零組件相互搭配下組成一個宛若兼具智慧化與高效率的交通管理系統。在產線與製程設備中,藉由開、關、基本控制來調節流量,確保順暢運行。

在許多食品飲料製造廠內皆可發現Jokab Safety產品群點綴其中,諸如感測器、接觸裝置、安全繼電器、PLC、光柵、訊號指示燈、個人安全需求零件等。主因機械安全產品種類繁多,要全數通過IP69K認證實非易事。例如業界普遍少見可達到IP69K的工業用插頭、插座,但ABB的Tough & Safe系列即獲得IP69K認證,能抵禦粉塵、水及其他固態異物入侵,讓產品保持正常運作。另外,廣受業界認可的還有感測器Eden與可程式邏輯控制器Pluto的組合。Eden除滿足IP69K等級外,在編碼上也符合新標準ISO 14119對互鎖裝置的安全規範要求,使用非接觸式的RFID來傳送訊號,以達到潔淨與快速傳輸的高效能。Pluto的產品設計小巧多功,具成本優勢,與Eden形成絕佳搭配,適合產線上的大範圍佈設,屢屢讓意外止於預防。

食品飲料產業的推行策略

其中,食品產業是我國生產力4.0計畫的五項重點製造業之一。如何藉由政策引導產業升級,發展具有適應性及資源效率的智慧製造工廠,以貫穿產業價值鏈,提供「更具差異性」的產品;創造「更靈活」的生產模式;與營運「更具彈性」的商業模式,是未來食品產業維持國際競爭力之重要課題。

主要政策推動是選定食品製造業中,產值或單位就業人口較多且運用生產力4.0相關科技居多的飲料產業,如統一、黑松、金車、泰山、光泉、愛之味等大型企業,以產業輔導團進行推展,以大帶小模式促進整個產業形成供應鏈體系。其次則是協助國內優質之食品機械系統整合商完成工業局技術服務能量登錄,藉由該名單可鏈結跨域服務團,同時促使飲料公會率先成立生產力4.0推動委員會,彙集廠商的需求並建立媒合平台。

產業概況與生產力4.0方案導入建議

目前,食品製造業多為中小企業在經營,且人工作業比例高。為了迎合客戶需求與季節變化,必須不斷有新食品開發品項,導致生產作業複雜度高,對彈性生產的需求也高。為因應製程變化與原料供應端的源頭管理,應導入現有ICT技術與雲端數據整合,串連ERP與MES系統,電子化現有人工抄寫表單,強化產業製造鏈管理與食品安全防禦技術。導入生產力4.0方案能提高設備能力與續航力,透過MES即時監控能源與物料損耗以優化製程參數,最佳化生產排程並規劃預防性保養,延長設備生命週期。在企業經營管理方面,生產力4.0方案可提升產業附加價值,促成與上下游供應鏈夥伴的無縫連結。

從近日的輔導案發現,產業在導入4.0 技術時,工廠人員常無法快速適應資訊系統的功能。因此在人才培訓方面,生產力4.0推動辦公室將與各部會合作,辦理跨領域在職人才培訓及產學合作。並將藉由引進國際課程、派員赴海外訓練等方式培育種子師資,加速培訓產業所需人才。希望逐步帶動產業上中下游供應鏈導入生產力4.0,提升整體產業國際競爭力。