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建構工業4.0生產環境因應的嵌入式技術
2016/02/01-DIGITIMES企劃  


自從1784年第一個蒸氣動力驅動機械推出以來,後續變革的工業革命,從現在最夯的工業4.0所訴求的高度自動化、高度整合與能彈性生產的智慧工廠,基本上是由感測器、控制系統與網際網路協議達成各種網路互連與智慧化應用結晶...

實踐工業4.0(Industry 4.0)的基本系統設計架構,主要由大量的感測器、致動器、自動控制系統、網狀網路與多元網路架構縝密整合,搭配系統化設計的智慧生產架構,不僅整合的複雜度高,導入的網通技術也是走在時代前沿的最新網通方案,也增加傳統自動化產線朝向工業4.0智慧生產方向升級目標的複雜性。

設置於遠端的感測器,可能因為受損或遭受惡意實體破壞,必須搭配安全認證機制驗證,防止偽造數據或提供錯誤感測狀態資訊,圖中為瓦斯管線的壓力感測器與自動控制閥門。Temboo
   
建構智慧工廠,高效與高可靠度的網路環境是一大關鍵,尤其是針對智慧終端、感測器部署的網路資訊安全機制與防偽機制,也成為工業4.0應用導入的重要課題。ITRON RIVA
工業4.0導入自動化產線價值高

尤其是導入工業4.0後,不僅能實現生產設備與感測端點數據回送雲端整合,搭配大數據資料分析進而優化生產流程、預測生產問題,提早針對可能產生的產線故障疑慮進行維護排程,同時透過生產智慧化系統整合,在生產最初的物料、庫存、成品進行完整數據與流程掌控,確實提早補足所需料件庫存、或動態調配產線生產速度因應銷售市場的需求變化,達到最低成本的備料、庫存、運送與銷售協調,也能藉由智慧化生產極大化獲利條件。

觀察實際導入工業4.0的案例會發現,以General Electric的電池生產工廠為例,General Electric在Schenectady的工廠產線建置部署近1萬個感測器控制終端,搭配感測器終端透過廠房內的骨幹網路進行連接,透過產線上的加工節點所部署的感測器可以確認電池加工材料正在以何種工序進行多少程度的加工處理,同時每個單位生產成品在整個自動化產線留下多少碳足跡都可以透過雲端平台進行確認,搭配廠房部署的無線網路應用環境,工作人員也能利用行動載具、平板電腦存取所需調閱的生產資料。

即時掌握生產數據  最大化生產效益

這種即時掌握生產數據、加工工序的能力,就是工業4.0智慧生產流程最大的應用價值之一,尤其是透過網路整合與雲端數據匯集、分析,同時搭配生產廠房完整、無死角部署的無線網路接取環境,產線上的操作人員可即時使用行動載具進行生產物件、材料與製品耗能查詢,不僅能夠即時預警可能的產線問題、進而及時處理排除故障,降低可能的產線停工或是錯誤工序處理的廢料成本問題,大幅提生產線生產力與良率,同時也能強化操作人員或是智能系統預測生產問題的能力。

從General Electric進行工業4.0升級的案例可以理解,工業4.0應用於生產線或廠房轉型智慧工廠,可以再將產能與成本問題進一步優化,其關鍵就在第一線感測器終端、網路整合、雲端服務、終端應用的縝密整合程度,而要實現工業4.0完美智慧生產運行就必須檢視分散式運算與自動控制、感測器部署、網絡認證與安全性三大重點著手。

分散式運算終端降低控制終端與感測器部署難度

雖然自動化生產已導入生產線應用多年,但實際上要轉移至智慧生產,關鍵就在於在生產自動化再加入智能分析、運算的進階判斷能力,一般自動化生產線會以PLC(programmable logic controller)進行生產自動化所需的自動控制終端部署,但智慧化產線為達到產線的靈活配置彈性,所需的控制細節更多、控制終端也會增加,繁複的PLC終端部署會造成接線複雜度提高、同時也可能造成控制延遲或是增加PLC的運算負荷,在發展智慧生產應用可透過分散式運算降低暴增的控制終端運算負荷,透過體積微型化的PLC終端在擴增數量的同時、也不會造成部署上的困擾,而PLC不只是縮小體積,能用的I/O擴展通道數量也必須相對提升,同時針對高度配置彈性的產線要求,I/O也需要能擴展如類比/數位不同數據處理支援。

正如前述的智慧工廠案例,投放部署大量感測終端,可以讓生產控制人員快速取得最新的生產狀態與加工能耗表現,進而起到提早發現生產問題、減少生產損失的作用,因此在工業4.0的應用前提下,生產線部署的感測器數量只會多不會少,感測器數量越多代表的是智能系統的感覺終端數據更即時、更精確,搭配後端巨量資料分析演算所得到的生產數據,也就能更趨近生產線況,進而找出優化生產流程的契機,而這個在感測器部署數量有限的產線上,就會因為數據的解析度有限,分析所得的優化策略就會相對失準。

工業4.0更重視網路安全性與線路品質

網路架構是工業4.0智慧生產環境得以實踐的關鍵,若終端與雲端巨量數據系統銜接上出現延遲或是連接不順暢,自然也會影響智慧化工廠的升級效益,其中網路架構與資料傳輸品質,就成為整個智能系統能否運作順暢的重點。在智慧工廠部署的感測器,為透過網際網路通訊協定與主幹網路進行連接,其間可能構過閘道器整合,而為了提升資料傳輸的完整性與安全性,雖產線中的網路系統環境通常為封閉式系統建置,但對於網路環境應有的安全性考量也必須重視,如搭配防火牆、網路交換機與閘道器區隔不同功能或區域的網通連線架構,搭配高安全性要求的網路配置,提高智慧工廠網路的可靠度。

在部署自動控制終端,產線所使用的PLC數量也會因為需配置更高彈性的生產流程,而必須擴增每個生產節點的PLC功能或I/O數量,因此對於現有PLC性能與擴展性要求,也會較一般自動化產線部署需求更高,像是高整合度的PLC設備,或是模組化可擴展式PLC終端,就可以因應終端控制需求擴增或I/O數量提升的應用需求,在部署時就僅需透過模組擴展PLC功能支援而不需要增加過多的系統組件。

智慧生產需求推進PLC、感測器設計持續優化

此外,終端PLC控制需求擴增,常見會採取增加部署數量滿足系統建置需求,但PLC控制終端本身即具備一定程度的佔位空間,若體積本身無法達到小型化要求,也會影響工業4.0智慧產線升級的擴展應用價值。因此也有PLC業者推出所謂的微型PLC終端設計,透過嵌入式系統的高度整合減少電子電路佔位面積,在PLC I/O模組上搭配高度整合的類比/數位I/O整合,搭配模組化堆疊擴充的系統擴展彈性,讓整個PLC微型模組可以針對不同部署需求進行最佳化配置,增加智慧生產線的整合應用價值。

因應工業4.0智慧工廠整合需求,不只是控制終端在性能與擴展性須加強、同時還需要微縮設備體積,在各式關鍵感測器的部署條件,也會較未導入工業4.0的部署條件更為嚴苛,因為為了追求更細緻、完成的生產數據擷取,感測器數量也會呈倍數成長,感測器本身即需要在提升資料擷取精密度、同時也必須在功耗與體積進行優化設計。

工業4.0整合重點即在網路整合,自動廠房使用的網路除安全性、可靠度要求更高,除了數據傳輸的資安要求外,像是感測器本身的連接系統安全性也會更為重視,例如多數感測器可能掌握重要生產原料液面高度、氣體量、管道壓力等感測數據,而這些感測數據採集端點距離系統較遠,傳送數據使用的線路也必須更為重視數據完整的實體安全特性,像是針對感測器本身是否受損導致數據誤差、或是線路遭偽冒終端假造數據,沒有搭配符合安全認證協議與防止竄改數據技術整合,也會影響掌握高危生產材料狀態數據感測器的使用安全性。

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關鍵字 
嵌入式系統感測器工業4.0(Industry 4.0)智慧工廠(Smart Factory)
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