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快速架構智慧化平台 工業無線通訊應用加速
 

【作者: 王明德】   2019年06月26日 星期三

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在物聯網啟動下,無線通訊技術在製造現場的導入速度加快,尤其是在消費端的廣泛應用,使得各種無線通訊設備的性價比大幅攀升,由於即時性問題仍難克服,無線技術在工業物聯網應用中多仍以監控為主,實質控制仍以有線為主,即便如此,對要求OT與IT整合的智慧製造已然足夠。



圖1 : 在智慧製造體系中,無論是生產系統或廠務設備,其數據的可視化都是重要環節。
圖1 : 在智慧製造體系中,無論是生產系統或廠務設備,其數據的可視化都是重要環節。

就目前來看,在幾種狀況下,系統整合業者會建議廠商採用無線通訊技術,第一是佈線不易,譬如無人搬運車,第二種是環境問題,由於線路本身就是有形的物體,在容易損壞的場所中,線路的維護往往會是一大問題,第三則是距離,在完全開放的空間內,其實無線的距離會比有線來得長,一般的有線線路傳輸距離大約是70公尺,但在直線距離,無線傳輸可以到3~400公尺,若加上天線可以達到2公里以上。


短距離無線通訊應用漸深

智慧製造的無線技術應用分為短、中、長等三種距離,短距離目前以RFID和ZigBee為主。RFID具有非接觸式、追蹤貨品、記載資料、適應惡劣環境等特性,在工廠自動化領域潛藏著龐大的商機,雖然RFID在工業領域的應用已不算新技術,各界對於RFID在工業自動化領域的發展上看法也不一致,但無論如何,RFID在工業自動化所帶來的價值是不容置疑的。


RFID在應用上已逐漸取代部份Barcode的市場,不過最終還必須要與公司IT架構如ERP、MES連結,因為就價值面來看,RFID其實只是讓資料蒐集更簡便、快速,正確使用RFID所擷取的資料,加之以轉換成有效資訊,才能突顯RFID的建置價值,因此目前IT廠商投入的RFID系統都包含了上層ERP與控制端資料傳輸。



圖2 : 工廠環境環境惡劣,不但金屬製品多,馬達啟動時的電磁波,更是無線區域網路的殺手。(source:The Analynk Industrial Wireless Instrumentation)
圖2 : 工廠環境環境惡劣,不但金屬製品多,馬達啟動時的電磁波,更是無線區域網路的殺手。(source:The Analynk Industrial Wireless Instrumentation)

RFID在製造端的自動化應用,除了生產製程外,工廠的設備與物料盤點也是發展重點之一,散居於各地的企業資產,每逢盤點都必須耗費大量的時間或人力,然而現在已有廠商將RFID標籤貼附於企業資產上,並將該系統結合GPS、GIS等技術,最後顯示在手持式裝置上,讓管理人員可以順利掌控資產狀況,這套系統同時也被應用在工廠,藉此提升工廠作業安全。


不過,現在已有廠商利用RFID來作為資產管理,做法其實相當簡單,就是在資產上貼附RFID標籤,再利用建置於辦公室中的讀取器監控該設備,這類系統還可將應用延伸到工安領域,不過這必須與手持式裝置結合,而該裝置中還必須內建GPS、GIS等軟體,當巡檢員在巡察工廠設備時,可利用手持式裝置接收該設備上RFID標籤的資料,再於手持式裝置上填寫該設備的巡檢結果,直接將巡檢資料數位化,儲存於管理主機中,此外該系統內建了GPS,可以隨時監督巡檢人員的工作狀態,提升管理效率,這套系統還可以再次延伸到生鮮食品的物流管理。


除RFID外,ZigBee也是重點工業通訊標準之一,ZigBee在短距無線通訊標準中,屬於低頻低功率,耗電並不高。在建置成本方面,ZigBee傳輸速度低,架構單純,且ZigBee通道化的規則較簡單、不跳頻、使用單一收發頻率,因此在軟硬體設計上的成本得以降低。


無線傳輸業設及安全性問題,ZigBee提供了資料完整性檢查和權限區分功能,硬體本身支援CRC和AES-128編碼。因此可以應用在具有高規格安全性需求的環境中。至於在機動網路組態部分,ZigBee所架構的WSN網路是能夠隨狀況變化的,節點在取得授權之後才能進入網路,相對的,系統管理者也可以隨時將某個節點切離網路,在管理方面具備了相當強大的功能。


無線區域網路 整合IT與OT架構

至於中距離則是現在常見的無線區域網路(WLAN),相較於一般場所,工廠的環境通常較為惡劣,需要連接性佳、穩定性高、強固設計等需求,因此工業無線網路產品,必須提供更高可靠性,並能確保最低的干擾影響,以適用於工廠環境。


工業級的無線網路設備,大多採用強固型設計,並必須有一定程度的防水防塵設計,在機殼方面則多採用金屬材質,提供快速散熱、抗震、防搖晃,甚至可以在潮濕、寬溫的環境下運作,抵禦高低溫或高濕氣的場域環境。


工業無線網路設備依照市場的需求,有推出Wi-Fi AP/Router、Wi-Fi Bridge、Mesh AP等產品,在功能方面,工業網通設備還具備AP、Client、中繼器、橋接等模式選擇,並有遠端登入與監控等功能。功能基本上跟一般商用的網通設備相似,但工業用的產品會注重在傳輸能力、穩定性與擴充性。如在射頻規範部分,能支援802.11a/b/g/n/ac等無線網路標準,並內建IPv6、VLAN等基本功能。



圖3 : 在物聯網啟動下,無線通訊技術在製造現場的導入速度加快。(source:Network World)
圖3 : 在物聯網啟動下,無線通訊技術在製造現場的導入速度加快。(source:Network World)

在台灣智慧工廠環境中,由於台灣製造業多為廠辦合一,辦公室與工廠為同一廠區中的不同建築,而台商智慧製造以設備監控與預診為導入第一步,因此對採用通訊技術的方式,是先在設備上外掛採用無線感測通訊模組,並將製造現場所擷取的各設備數據以ZigBee彙整、傳送到閘道器,閘道器再透過無線區域網路技術傳送到廠區中另一端的辦公室中,製成設備狀態顯示平台,讓辦公室管理可即時掌握廠房生產動態。


無線區域網路省去了製造現場在佈線時所需耗費的工程時間與成本,不過無線區域網路的電波傳輸容易受到干擾,尤其是工廠環境環劣,不但金屬製品多,馬達啟動時的電磁波,更是無線區域網路的殺手,因此在布建時必須不斷測試,找出最佳的地點與角度,才能讓傳輸順暢不受干擾,而這往往也是系統建時,耗費最多精神、時間的階段。


LPWAN落實IIoT願景

在長距離方面,近年來因應物聯網技術掀起的各種LPWAN技術,包括LoRa、Sigfox、NB-IoT傳輸距離都相當長,最短的LoRa在市區傳輸距離已達3~5公里,最長的Sigfox在郊區更可達50公里,至於目前發展最快的NB-IoT,平均距離也都在20公里,這些技術主要應用於像是遠方的自來水廠、無人基地台、無人變電所等,另外,此LPWAN通常會再加入GPS用來掌握各節點的地理位置。


至於在製造業的應用,LPWAN的做法可視為無線區域網路的加長版,尤其是傳輸距離傳輸頻寬較高的LoRa,在數據傳輸上較具彈性,除進行單向傳輸的省電通訊外,也可以執行一定程度的數據交換。以晶圓廠為例,晶圓廠的廠區距離都在公里等級以上,可先建置封閉的LoRa網路,在廠區內蒐集完各節點的生產數據後,再透過的NB-IoT網路或者是現有的4G LTE網路傳送到雲端,將各個廠區的數據進行統整分析,打造出工業物聯網架構。


就目前發展來看,工業無線通訊雖仍會以監控為主,不過在智慧製造體系中,無論是生產系統或廠務設備,其數據的可視化都是重要環節,無線通訊系統可以最小的成本支出,快速搭建起通訊架構,讓工廠內的資訊可以快速流動,因此隨著智慧製造的逐步落地,無線通訊將製造業的應用也將持續深化。


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