智慧工業

從OT層的感測器與驅動，到IT層的機聯網與工業雲，透過最新工業網路技術，全面整合。台灣工業網路協會將與國立勤益科技大學攜手舉辦創新論壇，邀請各家工業及網路領域的領到廠商與專家，為您帶來數位工廠及工業物聯網的最新趨勢與概念，協助您邁向數位聯網新世代。 數位化是工業4.0的重心，是企業轉型不可或缺的一大關鍵。台灣工業網路協會將透過此場創新論壇，攜手各家工業及網路領域的領導廠商與專家，分享探討最新趨勢，多元主題包含從工業網路的重要性到未來的展望, 智能化機台怎麼實現與怎麼整合OT層的感測器與驅動，到IT層的機聯網與工業雲。讓您透過新世代軟硬體，增強現場機台功能、產線以及優化製程，更可同步了解工業網路10年內的未來走向與網路安全的重要性。 現場將設置專業的實際應用展示，讓聽眾直接體驗與了解。誠摯邀請各位一同前來共享盛會！本次活動日期為2019/11/20(三) 09:00~16:00，地點在國立勤益科技大學工具機大樓一樓視訊會議室(台中市太平區坪林里中山路二段57號)。

意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese表示，工業4.0的特色在於使用網路實體系統(Cyber-Physical System, CPS)、通訊技術、物聯網技術以及分散式決策(Decentralized Decisions)等，使工廠運作更有效率。然而，在使工廠自動化或更智慧化的過程中，打造一個更安全的工作環境，確保設備運作穩定，避免出現工安意外而使工廠財產、人員受到損害，也是工業4.0其中一個重要環節。 Marchese指出，「安全性」 一直都是個很熱門的話題，像是日常所使用的智慧家電，為生活帶來了便利性，而在工廠領域，則可以改善生產效率。上述的一切，其實都有關使用者的安全，因此，不僅生產製造與電器產品的安全規範持續推陳出新，ST也會持續透過旗下產品提供更高的安全防護。 而智慧功率開關IPS4260L適用於伺服驅動器、馬達控制、工業PC週邊、可程式設計邏輯控制器(PLC)和通用下橋開關(驅動與正電源相連的負載)，並可為智慧工業/工業4.0智慧製造應用帶來豐富的診斷功能，包括開路負載檢測和限流保護。 據悉，開路負載檢測在輸出處於關斷狀態時運行，以防止因線路斷開等故障導致的危險。當電流過大，非耗散式截止限流功能可在使用者設定的時間後關閉輸出級。限流時長可用一個外部電阻器設定，限流時間結束後，輸出級自動重啟。其他診斷功能還包括兩個用於指示負載開路和超載/熱關斷的共開路汲極針腳及用於指示單個通道超載/熱關斷的四個輸入/輸出汲極針腳。 意法半導體技術行銷工程師Michelangelo Marchese(圖左)表示，打造更安全的工作環境是工業4.0的重要環節。  

智慧工業發展歷程 首次工業革命在18世紀，這代表著以蒸汽機為動力的機械工業時代來臨，每個勞動力參與大規模生產的全部環節。第二次工業革命發生於20世紀，機械設備的動力由蒸汽變為電力，大規模生產首次出現勞動分工，每個工人只負責產品加工過程中的一個製程，不再全程參與生產過程。 第三次工業革命出現在20世紀70年代，因為電子資訊技術的廣泛應用，製造過程自動化，大型機械設備被電子設備取代。這次革命還是半導體產業發展史上的一個重要里程碑，半導體工業成為自動化發展的引擎。 第四次工業革命則發生在今天，機器變得越來越智慧，而人機協作更加直覺，新機器可以自主監測性能狀態、使用情況和故障狀況，因此，效能、安全和靈活度更高。企業可以使用巨量資料、分析學和分權決策方法提高供應鏈的可靠性和生產效率。 在智慧工業時代，製造過程更加高效和環保，工作環境更加安全，工人的工作體驗更好，人機協作更直覺，可以依照客戶需求更靈活、大量地製造產品。 智慧工業技術特點 智慧機器在每種工作模式下都能保持高效能，可將電能高效地轉化成機械能，必要時還能高效地儲備電能。現今馬達效能相較過去提升很多；照明系統可透過無線網路遠端控制燈具，只在需要時才點亮。 另一方面，智慧型機器使用感測器測量振動、溫度以及濕度等參數，並將感測器資料送到處理器處理，將其變成有用的資訊，智慧型機器與附近的作業員互動，將感測器資訊提供給作業員。 而在工廠內部，所有的智慧型機器連上雲端，提供基層的即時資訊，融入一個超大供應鏈。感測器資訊被安全地送到雲端，供分析技術使用，包括停機預測。 智慧工業四大應用領域 智慧工業應用領域多元，包括工廠自動化、工業機器人、工業照明，以及智慧製造都是常見的應用。 工廠自動化是使用各種控制系統管理製造過程，讓機器按照預定程序運行，盡可能減少人工作業。透過在製造過程中監測各種資料，例如，原料和成品的溫濕度、故障檢測、自動測試報告等，自動化系統可以做出各種決策。不同的機器可以透過6LoWPAN、sub-Ghz、RF技術連接，構成網路，共用資訊。 工業機器人是一種自由度很高的機器。在設定程式後，工業機器人可以完成製造、測試和生產任務，有助於實現高品質製造，節省人工成本，在對人體健康有害和不適宜人類生存的危險環境中代替人類作業(圖1)。 圖1 工業機器人可節省人工成本，加速生產效率。 新一代機器人靈活可變，能夠執行程式，按照客戶的需求和意願，一對一的量身打造產品。機器人有多顆感測器，能夠準確地監測運動位置和角度；而工業智慧型機器人之間亦採用無線通訊，收發資料。 在非製造類設施用電量中，照明用電占了相當大的比例。如果燈具不用時還點亮，大量的電能將被浪費。智慧照明系統可以透過6LoWPAN、sub-Ghz網路監控每支燈具，只在必要時才會開啟燈具，並自動檢測故障燈具，甚至還能遠端調節燈光亮度；燈杆上還可以安裝氣象監測裝置和安全監測站。 智慧製造將各種製造領域與供應鏈完全融為一體，這個概念覆蓋自動化控制、先進機器人、馬達控制、感測器、聯網機器等。智慧製造設備能夠自動訂購原料，在故障發生前提出維修需求，能夠改善工作條件，更安全地管理危險製造流程。智慧製造設備也需要用到巨量資料和人工智慧技術，且經濟實惠的低功耗感測器和通訊連接技術正在讓智慧工業離我們越來越近。 傳統/智慧監測方法大不同 因為機器易磨損和斷裂，所以企業必須採用預防性維護計畫，定期檢查機器的內部元件，即便沒必要也必須執行，或者定期監測機器的運作狀態。預防性維護計畫通常外包給外部服務機構，他們會定期派人上門監測振動參數。這種方法成本很高，因為委託企業承擔維修工的服務費和差旅成本。此外，因為資料監測不是連續的過程，故障發生率仍然很高，致使故障不可預測。 機器本身配備感測器和射頻通訊模組。感測器連續監測振動和溫度等參數，並且透過BLE藍牙或RF sub-Ghz無線技術將資料上傳至閘道，再傳送到雲端伺服器。感測器和射頻通訊模組的功耗極低，甚至可以選用電池作為電源。閘道將數據傳到雲端進行振動分析和FFT分析。 機器振動特徵分析技術可提前發現各種故障或異常，例如，負載均衡、錯位偏差、軸承缺陷、齒輪嚙合等。 感測器各有妙用　工業智慧化中居要角 感測器在工業智慧化之中，可說是扮演了相當關鍵的角色，而各式的感測器，各有著不同的功用。 加速度計 加速度計用於測量工業機器沿X、Y、Z三軸方向發生的加速度，還可以測量機器或機械手臂的傾角。如果機器水平靜止，則X、Y兩軸輸出資料是0g，而Z軸輸出則是1g。1g是地球上所有物體都要承受的引力。如果機器沿著X軸旋轉90度，則X和Z兩軸將會輸出0g，Y軸輸出1g。在傾斜狀態之下，X、Y、Z三軸的輸出值在0和1g之間，然後將輸出值代入三角函數公式，算出機器的傾角。 加速度計還能測量沿水平和垂直方向的線性加速度，這些資料可用於計算運動速率和方向，甚至還能計算高度變化率。加速度計另外還可檢測機器振動，在馬達上安裝的加速度計為檢測故障類型提供關鍵資料。因為馬達負載失衡引起的故障、軸承缺陷和齒輪嚙合故障三者的振動頻率不同，這些資訊可用於預測馬達檢修需求。 陀螺儀 陀螺儀是一種測量沿三軸方向的角速度的感測器，能夠測量俯仰、橫滾、航向三軸的角度變化率。角速率變化資訊可用於提升機器運作的穩定性，防止機器橫向晃動。在收到陀螺儀資訊後，馬達控制器可以動態調節馬達轉速，確保機器或機械手臂穩定運行。陀螺儀還能讓機器或機械手臂按照使用者需求的角度精確旋轉。 磁力計 顧名思義，磁力計為機器或機械手臂提供運動方向資料。磁力計用來測量物體所在磁場沿X、Y、Z三軸方向的資料，並傳送到微控制器，利用專門演算法算出以北極為參照點的航向角，以確定地理方向。 為取得準確方向，應將加速度計的傾角資料和磁力計資料一起應用。磁力計精確度容易受到軟硬鐵或運行角度影響。硬鐵是存在於感測器附近的硬磁鐵材料，可使羅盤指針發生永久性偏移。軟鐵是感測器附近的弱磁鐵材料、電路跡線等，可使羅盤指針發生可變性偏移。為濾除這些異常，需一個磁感測器校準演算法，且重要的是校準快，人工干預少。 氣壓計 氣壓計可以把氣壓值換算成高度值，而氣壓感測器可測量地球大氣壓。氣壓計數據有助於機器或機械臂導航，達到目標高度。升降速度估算的準確性對包括機器人在內的很多機器至關重要。以意法半導體(ST)為例，該公司便推出了新款資料速率200Hz的壓力感測器LPS22HD，能夠滿足高度估算需求。 濕度感測器 濕度感測器可以測量濕度參數，用於氣象站、凝結度監測、空氣密度監測和氣體感測器測量校正。例如，意法半導體旗下的濕度感測器--HTS221，包括感測器元件和類比前端，透過數位連接埠輸出測量資料。感測元件包括聚合物電介質平面電容結構，能夠測量相對濕度變化。 MEMS麥克風 MEMS麥克風是一種將聲音訊號轉換成電訊號的音訊感測器。MEMS麥克風的人氣越來越高，與傳統麥克風相比，MEMS麥克風信噪比高、尺寸小、數位介面、抗射頻干擾性強、抗振性強，主要用於攝影機、安全監控和情報搜集等設備。 總而言之，機器很容易發生極端的工況，包括振動、雜訊和環境的影響。工業機器感測器應有很強的抗振性能，能夠捕捉更少的雜訊訊號，回應速度快，能夠捕捉到所有的振動，性能穩定，不受溫度、濕度等環境參數變化的影響。最後，可靠性和性能應該很高。 轉換原始資料　軟體演算法大有作用 在把感測器原始資料變成有意義的用例過程中，軟體庫在其中發揮著重要作用。演算法可提升感測器的功能性，實現預想不到的功能；演算法整合不同感測器發送的資料，然後輸出上下文感知資料。 加速度計、陀螺儀和磁力計三個運動感測器有各自的優缺點。感測器的短板包括校準不完美、時間或溫度漂移、隨機雜訊。 磁力計和加速度計受失真問題困擾，陀螺儀本身有漂移問題。感測器融合演算法庫用於讓三個感測器相互取長補短，提高校準精度，在所有的場景中輸出精確的結果，不僅輸出經過校準的感測器資料，而且還有角度和航向角資訊以及四元數。 智慧機器連接技術各有所長 智慧型機器可以透過不同的通訊連接技術聯網，低功耗藍牙和Wi-Fi用於機器和手機之間的連接。Sub-1GHz射頻技術用於透過專屬協定連接感測器網路，兼具功耗低和通訊距離遠兩大優點。行動蜂窩通訊和Sigfox用於將機器資料直接上傳到電信基礎建設。 下表列出了各種連接技術的通訊距離和功耗情況。在下文中我們將更詳細地討論低功耗通訊技術，例如，BLE、RF sub-1GHz和Sigfox(圖2)。 圖2　智慧型機器可藉由不同的通訊技術實現聯網功能。 低功耗藍牙有效延長電池壽命 低功耗藍牙(BLE)又稱智慧藍牙，是一種低功耗的機器連接通訊技術，適用於低階機器，特別是玩具。支援機器與控制器之間雙向通訊，例如，手機、平板、筆電和專用遙控器。低功耗藍牙協議可大幅延長機器電池的續航時間，令Wi-Fi和Classical Bluetooth等傳統無線技術望塵莫及。  低功耗藍牙可在免授權費的2.4GHz ISM頻段。藍牙技術聯盟(SIG)是低功耗藍牙標準的管理者，所有大型手機商都支援該標準。目前低功耗藍牙的晶片市場有兩大陣營，分別為： a.網路處理器：網路處理器運作低功耗藍牙協議，包括控制器、主設備和協定棧。與運作不同的藍牙應用協定和應用的主微控制器互動，網路處理器還需要一個單獨的微控制器。另一方面，網路處理器是一個獨立的平台，為使用者選擇最適合的微控制器或作業系統，以提供很大的靈活性。例如，BlueNRG-MS為意法半導體開發相容BLE 4.1的網路處理器，能夠同時做為主控制器和從控制器兩個角色，可以讓一個遙控器當手機的從設備，機器的主控制器。 b.系統晶片：系統單晶片(SoC)是一個獨立的晶片組，包括控制器、主設備、應用協定棧和應用。像是意法半導體的BlueNRG-1是BLE 4.2認證系統晶片，包含了15個GPIO針腳、I2C、SPI、UART、PWM、PDM，以及160kB RAM。這款晶片還能提供BLE 4.2的先進資料安全和隱私保護功能。 RF sub-1GHz具備低雜訊/遠距離優勢 顧名思義，RF sub-1GHz技術是以低於1GHz的載波頻率傳送訊號，不同的國家為工業和科技研究領域分配了不同的免授權費的無線電波段。 以下列出為各個國家的免費無線電波段。 ．北美：315, 433, 915Mhz ．歐洲：433, 868Mhz ．印度：433, 865~867Mhz sub-1GHz技術的優點是雜訊小，通訊距離遠，功耗低，缺點是不能直接連手機，應用不廣泛。Sigfox是採用sub-1GHz頻率且須付費的LPWAN服務，該技術可直連接電信基礎建設的雲端，通訊距離長達幾公里。在機器中，Sigfox可用於追蹤，向雲端上傳感測器資料，其作為直連電信基礎建設的低速率通訊技術，預計未來不會取代低功耗藍牙等控制直連技術和RF sub-1GHz直接對等連接。 降低研發時間/成本　開發平台不可或缺 物聯網市場正在飛速發展，產品能否成功，很大程度取決於研發時間和成本，在這種情況下，擁有一個價格划算、靈活可變、有彈性的生產級開放式的開發平台很重要。為此，半導體業者紛紛推出相關解決方案，例如，意法半導體備有STM32開放式開發環境，為設計人員使用意法半導體產品開發應用提供了一個靈活多變、經濟實惠的解決方案。 STM32開發環境包括微控制器、感測器、射頻晶片、類比元件。除了硬體平台外，開發環境還提供驅動軟體、中介軟體和應用，以及相關的Android和iOS代碼。使用者只要在電腦上簽署一份授權協定，就可以使用這些先進的軟體庫。在平台測試成功後，設計人員就可開發自己的印刷電路板，裝載在這個平台上開發的韌體；而使用者只有在自己的電路板上測試應用時，才須要簽署生產級軟體庫的許可證。 或是像SensorTile解決方案，該產品是一個方磚狀微型設計平台(圖3)，其具有遠端感測運動、環境和聲學等參數所需的全部功能，讓設備開發人員集中精力研發機器或機械手臂的空氣動力、馬達控制和物理設計，而毋須考慮通訊連接和感測器整合等問題。該解決方案可以開發預防性和預測性機器維護方法，監控安裝在危險和危害人體健康的環境中的機器，因為維護技師毋須到現場檢修，為企業節省一大筆維修費。 圖3　SensorTile解決方案。 綜上所述，為實現更高的生產率、更安全的工作環境和更高的效能，智慧工業是當務之急。低功耗感測器和通訊連接技術的問世為智慧工業的發展提供了可能。多元化的感測器和連接技術正在解決諸多的複雜難題，過去這些難題是根本無法解決的，即使能夠解決，也需要付出很大的代價。 (本文作者任職於意法半導體)