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快速架构智慧化平台 工业无线通讯应用加速
 

【作者: 王明德】2019年06月26日 星期三

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在物联网启动下,无线通讯技术在制造现场的导入速度加快,尤其是在消费端的广泛应用,使得各种无线通讯设备的性价比大幅攀升,由於即时性问题仍难克服,无线技术在工业物联网应用中多仍以监控为主,实质控制仍以有线为主,即便如此,对要求OT与IT整合的智慧制造已然足够。



图1 : 在智慧制造体系中,无论是生产系统或厂务设备,其数据的可视化都是重要环节。
图1 : 在智慧制造体系中,无论是生产系统或厂务设备,其数据的可视化都是重要环节。

就目前来看,在几种状况下,系统整合业者会建议厂商采用无线通讯技术,第一是布线不易,譬如无人搬运车,第二种是环境问题,由於线路本身就是有形的物体,在容易损坏的场所中,线路的维护往往会是一大问题,第三则是距离,在完全开放的空间内,其实无线的距离会比有线来得长,一般的有线线路传输距离大约是70公尺,但在直线距离,无线传输可以到3~400公尺,若加上天线可以达到2公里以上。


短距离无线通讯应用渐深

智慧制造的无线技术应用分为短、中、长等三种距离,短距离目前以RFID和ZigBee为主。RFID具有非接触式、追踪货品、记载资料、适应恶劣环境等特性,在工厂自动化领域潜藏着庞大的商机,虽然RFID在工业领域的应用已不算新技术,各界对於RFID在工业自动化领域的发展上看法也不一致,但无论如何,RFID在工业自动化所带来的价值是不容置疑的。


RFID在应用上已逐渐取代部份Barcode的市场,不过最终还必须要与公司IT架构如ERP、MES连结,因为就价值面来看,RFID其实只是让资料搜集更简便、快速,正确使用RFID所撷取的资料,加之以转换成有效资讯,才能突显RFID的建置价值,因此目前IT厂商投入的RFID系统都包含了上层ERP与控制端资料传输。



图2 : 工厂环境环境恶劣,不但金属制品多,马达启动时的电磁波,更是无线区域网路的杀手。(source:The Analynk Industrial Wireless Instrumentation)
图2 : 工厂环境环境恶劣,不但金属制品多,马达启动时的电磁波,更是无线区域网路的杀手。(source:The Analynk Industrial Wireless Instrumentation)

RFID在制造端的自动化应用,除了生产制程外,工厂的设备与物料盘点也是发展重点之一,散居於各地的企业资产,每逢盘点都必须耗费大量的时间或人力,然而现在已有厂商将RFID标签贴附於企业资产上,并将该系统结合GPS、GIS等技术,最後显示在手持式装置上,让管理人员可以顺利掌控资产状况,这套系统同时也被应用在工厂,藉此提升工厂作业安全。


不过,现在已有厂商利用RFID来作为资产管理,做法其实相当简单,就是在资产上贴附RFID标签,再利用建置於办公室中的读取器监控该设备,这类系统还可将应用延伸到工安领域,不过这必须与手持式装置结合,而该装置中还必须内建GPS、GIS等软体,当巡检员在巡察工厂设备时,可利用手持式装置接收该设备上RFID标签的资料,再於手持式装置上填写该设备的巡检结果,直接将巡检资料数位化,储存於管理主机中,此外该系统内建了GPS,可以随时监督巡检人员的工作状态,提升管理效率,这套系统还可以再次延伸到生鲜食品的物流管理。


除RFID外,ZigBee也是重点工业通讯标准之一,ZigBee在短距无线通讯标准中,属於低频低功率,耗电并不高。在建置成本方面,ZigBee传输速度低,架构单纯,且ZigBee通道化的规则较简单、不跳频、使用单一收发频率,因此在软硬体设计上的成本得以降低。


无线传输业设及安全性问题,ZigBee提供了资料完整性检查和权限区分功能,硬体本身支援CRC和AES-128编码。因此可以应用在具有高规格安全性需求的环境中。至於在机动网路组态部分,ZigBee所架构的WSN网路是能够随状况变化的,节点在取得授权之後才能进入网路,相对的,系统管理者也可以随时将某个节点切离网路,在管理方面具备了相当强大的功能。


无线区域网路 整合IT与OT架构

至於中距离则是现在常见的无线区域网路(WLAN),相较於一般场所,工厂的环境通常较为恶劣,需要连接性隹、稳定性高、强固设计等需求,因此工业无线网路产品,必须提供更高可靠性,并能确保最低的干扰影响,以适用於工厂环境。


工业级的无线网路设备,大多采用强固型设计,并必须有一定程度的防水防尘设计,在机壳方面则多采用金属材质,提供快速散热、抗震、防摇晃,甚至可以在潮湿、宽温的环境下运作,抵御高低温或高湿气的场域环境。


工业无线网路设备依照市场的需求,有推出Wi-Fi AP/Router、Wi-Fi Bridge、Mesh AP等产品,在功能方面,工业网通设备还具备AP、Client、中继器、桥接等模式选择,并有远端登入与监控等功能。功能基本上跟一般商用的网通设备相似,但工业用的产品会注重在传输能力、稳定性与扩充性。如在射频规范部分,能支援802.11a/b/g/n/ac等无线网路标准,并内建IPv6、VLAN等基本功能。



图3 : 在物联网启动下,无线通讯技术在制造现场的导入速度加快。(source:Network World)
图3 : 在物联网启动下,无线通讯技术在制造现场的导入速度加快。(source:Network World)

在台湾智慧工厂环境中,由於台湾制造业多为厂办合一,办公室与工厂为同一厂区中的不同建筑,而台商智慧制造以设备监控与预诊为导入第一步,因此对采用通讯技术的方式,是先在设备上外挂采用无线感测通讯模组,并将制造现场所撷取的各设备数据以ZigBee汇整、传送到闸道器,闸道器再透过无线区域网路技术传送到厂区中另一端的办公室中,制成设备状态显示平台,让办公室管理可即时掌握厂房生产动态。


无线区域网路省去了制造现场在布线时所需耗费的工程时间与成本,不过无线区域网路的电波传输容易受到干扰,尤其是工厂环境环劣,不但金属制品多,马达启动时的电磁波,更是无线区域网路的杀手,因此在布建时必须不断测试,找出最隹的地点与角度,才能让传输顺畅不受干扰,而这往往也是系统建时,耗费最多精神、时间的阶段。


LPWAN落实IIoT愿景

在长距离方面,近年来因应物联网技术掀起的各种LPWAN技术,包括LoRa、Sigfox、NB-IoT传输距离都相当长,最短的LoRa在市区传输距离已达3~5公里,最长的Sigfox在郊区更可达50公里,至於目前发展最快的NB-IoT,平均距离也都在20公里,这些技术主要应用於像是远方的自来水厂、无人基地台、无人变电所等,另外,此LPWAN通常会再加入GPS用来掌握各节点的地理位置。


至於在制造业的应用,LPWAN的做法可视为无线区域网路的加长版,尤其是传输距离传输频宽较高的LoRa,在数据传输上较具弹性,除进行单向传输的省电通讯外,也可以执行一定程度的数据交换。以晶圆厂为例,晶圆厂的厂区距离都在公里等级以上,可先建置封闭的LoRa网路,在厂区内搜集完各节点的生产数据後,再透过的NB-IoT网路或者是现有的4G LTE网路传送到云端,将各个厂区的数据进行统整分析,打造出工业物联网架构。


就目前发展来看,工业无线通讯虽仍会以监控为主,不过在智慧制造体系中,无论是生产系统或厂务设备,其数据的可视化都是重要环节,无线通讯系统可以最小的成本支出,快速搭建起通讯架构,让工厂内的资讯可以快速流动,因此随着智慧制造的逐步落地,无线通讯将制造业的应用也将持续深化。


**刊头图(source:Siemens)


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