過去製造業的架構封閉,並不像現在的智慧製造架構與 IT 系統鏈接,讓製造系統可輕易使用各種智慧化功能,而這也推動了製造業的重要新觀點。

許多自動化大廠各自推出的現場總線標準難與其他通訊協定相容,製造業者如果有意整合不同廠牌的設備,必須在系統內部設置橋接器層層轉接,這就導致整體系統疊床架屋,複雜性也變得更高。

且該運作模式僵化,雖然在不需快速轉換產線的大量生產模式中也仍適用,但文曄科技專案經理王浚睿仍指出,在少量多樣逐漸成為現今生產主流模式後,此類架構早已難因應。

多數設備資料難以被系統擷取,導入 10BASE-T1L 成關鍵!

王浚睿接著點出,現在的工業通訊網路必須有高彈性、完善工安與資安防護,並可順利整合設備預診斷系統,「要滿足上述需求,可導入 10BASE-T1L,這也是目前工控領域最受重視的工業通訊技術。」

10BASE-T1L 是 2019 年才通過的 IEEE 802.3cg 標準,這項標準的制定,主要是為了解決現在工廠中仍有多數設備的資料難以被系統擷取的困境。

王浚睿表示,從智慧工廠的建置效益來看,能從越多工廠設備擷取更完整資訊,就代表系統的掌控越大,能觸及設備狀態監控與預測性維護的也就更多。

然而現在工廠內常見的工業通訊網路範圍有限,能傳輸的電量與頻寬也相當低,導致多數設備難以被納入系統中,設備狀態監控和預測性維護工作也就難以全面化,10BASE-T1L 的高電力傳輸、大頻寬、長距離設計,則可完全解決上述問題。

如何簡化製造系統以滿足產線需求?

王浚睿指出,10BASE-T1L 的傳輸速度為 10Mbps,已能滿足現在製造產線需求,長達 1 公里的傳輸距離方面,解決了面積寬廣的大廠區產線需求,僅需一對雙絞線即可傳輸的設計,則讓以往現場總線需要 4 對雙絞線的纜線成本降低 3/4,如果在既有產線上導入,10BASE-T1L 可使用現場已有的纜線上進行傳輸,保障業者過去的設備投資

在工安上,此標準符合 Zone0 本質安全應用規範,在油槽或高粉塵環境中仍可安全運作,此外 10BASE-T1L 可同時傳輸數據與電力,有助於製造業者簡化製造系統架構

「除了上述優點,10BASE-T1L 還具備小體積特色,這也大幅提升應用此技術設備的整合性。」王浚睿表示近期最具指標性的案例,是文曄科技協助客戶將此技術應用於工廠的抽水閥監控,透過微機電感測器與 10BASE-T1L 通訊模組的整合,將抽水閥的運作狀態傳回遠端平台,讓系統即時掌握運作數據,進從而設定維修時程,避免設備無預警停機。

全面性打造精準電子測試量測讓整體架構再升級

至於電子測試與量測 ETM,王浚睿指出此系統也是為了設備狀態監控而生,目前的量測可分為直接與間接兩種方式,以馬達為例,直接量測方式是在馬達上設置震動感測器或偵測電壓電流,間接量測則是透過紅外線,聲波接收裝置擷取馬達溫度或聲響,「不過馬達運作的組件多元,只要其中一環出錯,運轉就會有問題,而且狀態特徵不一定明顯,因此從上述的量測方式成效有限。」

為了改善此問題,近期製造業者在導入電子測試量測系統時,開始採用 Power Quality Monitoring 偵測負載狀態,「此系統透過電源品質偵測負載運作狀態,像是電壓有無驟升驟降,或是出現不正常的諧波、相位角,使用者都可從電子儀表掌握相關數據,從而判定運作狀態。」

在偵測電源品質的同時,Power Quality Monitoring 也可連接多種感測器,藉此同時偵測多個可能失效點並進行自我校正。

除了馬達,目前此技術也被用於配電盤或電氣系統的智慧排插作為設備預診,應用範圍相當廣泛。」王浚睿表示,Power Quality Monitoring 逐漸成為製造業重點選擇的主因,在於此技術可透過上述特點,打造出精準、全面且架構簡單的電子測試與量測系統

直觀可視的監控介面以優化設備監診系統

他接著點出目前工廠產線系統的痛點。以現在常見的機台預診斷機制為例,目前的系統必須先在終端設備上設置感測器,先透過 PLC 轉換感測數據並將之傳送到閘道器,產線各端的閘道器彙整數據後再傳輸到邊緣 AI 系統處理,處理後的數據會進行分流,即時性高的數據會立即回饋給終端系統,快速反應現場需求,時效性較長的數據則傳送到後端儲存並分析,藉此制定長期策略。

「這種運作模式,不只建構時需投入大量資源與時間,也會影響穩定性,文曄科技利用 ADI CbM 的參考設計,則大幅簡化了整體架構。」

文曄科技的架構是在馬達上整合 IEPE/MEMS 感測器與訊號擷取裝置平台,將資料傳送至閘道器彙整並進行預處理,最後再將已處理的數據送到後端平台儲存分析,大幅簡化市場已有的運作架構。

「在此一參考設計中,文曄科技提供了多種軟硬體工具,設備與系統業者可藉此打造最適化設備監診系統。」王浚睿特別介紹,此參考設計中使用的 IIO Scope,可讓開發者將數位資料轉化為圖像化,打造直觀可視的監控介面,另外其它的 Machine learning 開源軟體庫 TensorFlow/PytTorch 也有參考範例可以支援,設計彈性相當大。

各領域設備如何用監控(CbM)設計以掌握設備運作細節?

文曄科技的狀態監控(CbM)參考設計,目前已被應用於馬達、水泵浦、高階工具機等設備,除此之外,也適用於軌道交通、航太領域也都適用,王浚睿強調設備重要性越高、影響越大,就越需要狀態監控系統,「設備廠商與系統管理者可藉此掌握運作設備的所有細節,並在故障前進行預先維護保養,對企業來說,此做法可提升設備稼動率,對社會而言,則可保障人身安全,從而創造出雙贏局面。」

圖片來源:《TechOrange》科技報橘