短距離無線通訊自動化系統建置應用
對於布建自動化系統應用而言,若是針對現有生產設備,在最低更動的條件下,為自動化系統進行功能或是效能方面的升級設計,為減輕現有系統的衝擊或是採漸進式的設備更新手段,透過短距離無線技術進行系統整合,是個值得參考的技術手段,也能為系統增加更多設計彈性,而現有的無線傳輸技術,舉凡ZigBee或RFID,已有產業視其技術特性,導入特定自動化應用中。
本文:
在強調穩定、效率的生產設備應用中,自動化系統多半選擇相對較穩定的有線傳輸解決方案,例如,乙太網路或是工控用網路系統設計,在系統穩定運作考量下,「有線」的選擇似乎是不可能改變的現況,雖然無線傳輸技術仍有環境、干擾等限制條件,讓無線技術不容易打入部份工控系統。
但在新技術不斷推陳出新,各式針對不同應用目的開發的無線傳輸技術,亦可善用其特性,解決有線傳輸技術較難達到的設計目的。例如,當面對化學溶劑大型儲存槽的使用監控,可能因為槽體內容物具一定程度危險性,在壓力、溫度等環境條件都必須被確實掌控時,無線感測技術就有其存在價值。
RFID無線技術 適用於管理流程整合
一般對RFID(Radio Frequency Identification)的概念,多停留在電子標籤,例如,最早大量導入RFID的Amazon.com,就是利用RFID管理其倉儲與運輸自動化機制,其無線技術源自NFC(Near Field Communication)近距無線通訊技術。RFID就其資料傳輸途徑,可分為被動式、半主動式、主動式等實現方式,與一般業界常用的條碼系統不同,RFID可承載更多數位資訊,其安全性與不可更改的特質,也是受業界青睞的技術特性。被動式RFID本身不具備電源,其運作能量來自掃描器所發射的電磁波,取得能量後RFID再回送訊息資料給掃描器,由於被動式有傳輸距離的限制,因此,半主動式則利用內嵌電池,輔助其傳輸所需能量,讓無線傳輸距離可以比被動式RFID更長。
目前業界自動化應用中,多將倉儲系統與RFID無線傳輸技術進行整合,以取代內容承載量相對較低的條碼技術,同時其不容易被竄改的特性,也讓運送或生產過程更為安全,並增加倉儲管理的效能。台灣較知名的應用案例,是將RFID整合汽車生產,1輛汽車由超過萬件的零組件組合而成,RFID可在重要的零部件紀錄其生產流程,同時RFID不容易被竄改的特性,也讓RFID近似產品保證書的使用效益,甚至整個標示系統與汽車產業的售後服務機制整合,在汽車保修或相關設計改善召回產品機制上,也可掌握關鍵零部件的來源。
寫入方式不同 延伸更多應用特色
RFID的內嵌標籤記載資訊,還分為一次寫入、單向寫入與多次複寫等設計,對於一次寫入可用於不願被竄改的賣廠商品應用,單向寫入,則可用於貨運轉遞或是生產履歷等應用場合,至於可複寫標籤,多半用於建構系統的實驗用途,或是需要大量重複使用RFID的應用場合,其標籤售價以1次與單向寫入標籤的成本較低,支援多次寫入的RFID標籤成本會高許多。
ZigBee無線技術 適用於監控與自動化設備整合
ZigBee的名稱,其實可以看出其計術設計核心概念,其命名是參考蜜蜂的採蜜行為,而ZigBee的資料傳遞概念猶如蜜蜂間向同伴告知花叢位置,是由一隻隻蜜蜂彼此傳遞訊息,而ZigBee各個網路節點的傳輸方式,也與蜜蜂傳遞訊息一般,每個節點都具有觸發其他節點建構其傳輸管道的能力,每節點可以是接收端也可是傳遞端,當然也作為資訊交遞的角色。
觀察ZigBee的運作概念會發現,ZigBee無線傳輸環境不需要1個超強的無線基地台,其傳輸距離可以藉由增加傳輸節點數量而向外擴展,因為每個節點本身就可兼具多種角色,節點數量增加也可讓網路服務範圍、傳輸品質相對提升,單一節點出現故障周遭節點都可隨時遞補其網路扮演的關鍵角色。
ZigBee目前遵循ZigBee Allianc制定的802.15.4規範,目前使用2.4GHz頻譜(部份區域限制其需使用1GHz以下頻譜),是一種低功耗、低速無線通訊技術標準,其最高傳輸速度僅250kbps,但此速度已可應付低階工控應用需求。應付干擾與功耗問題,ZigBee可針對節點間的距離調整3階傳輸功率,單一節點傳輸距離最高可達數百公尺,傳輸頻道可在27個頻道間自動跳頻避免干擾其他設備。
由於星狀網路的概念與節點傳輸方式,可免除大功率基地台建制成本,因此常見用於水電、瓦斯自動化抄表系統,將每個ZigBee節點與瓦斯、水表整合,讓使用數據可以透過ZigBee無線技術還可嵌入各個自動化系統裝置中,作為裝置運作現況監控應用,透過ZigBee使自動化系統能掌握每個機台的服務現況,確實掌握自動化生產線維持最佳運作狀態。公共建設或是大樓維安系統,也可透過ZigBee節點布建,輕易建構1個不需實線連接的感測系統架構,讓系統端能掌握監控標的的環境參數。
主動與被動無線技術 自動化用途大不相同
ZigBee與RFID屬於兩種目的截然不同的無線傳輸技術,用於自動化產業中,其實ZigBee多用於自動化系統建制,為系統需要主動告知、傳遞節點現況的應用方式,RFID則較適合用於被動讀取與管理系統進行整合,例如掌握零組件流向、製造過程、倉儲管理等用途。ZigBee與RFID兩者市場並不衝突,但結合兩者特性,則可謂不同產業自動化應用提供更具效能的整合方案。
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