工业无线网络 打造工厂不受「线」环境 智能应用 影音
EVmember
member

工业无线网络 打造工厂不受「线」环境

  • DIGITIMES企划

各种工业无线网络接取器产品(左上:Moxa?上中:研华?左下:新汉?右:威力)。
各种工业无线网络接取器产品(左上:Moxa?上中:研华?左下:新汉?右:威力)。

由于工厂的自动化设备必须实时传输与控制,因此大多采用有线的解决方案,例如序列埠或工业以太网络。至于工厂内的其他设备,像是监控设备、传感装置、各式看板、需要走动的环境、不便牵线的地方,则大多采用无线解决方案。

而为了让通讯稳定、顺畅、实时,并兼顾信息安全,厂商提供了许多工业无线网络的产品,让工厂规划人员在工业网络的布线中,不再受「线」制…

以工业无线网络来延伸有限的厂区,达到线上监控的目的。

以工业无线网络来延伸有限的厂区,达到线上监控的目的。

厂商提供无线传输距离试算(取自ORing网站)。

厂商提供无线传输距离试算(取自ORing网站)。

以有线为基础  以无线延伸工业网络环境

制造业的工厂多是集中在广大的工业用地内,厂房的设计大多配置各种电缆线(如电线、电话线、网络线),而不同产业的作业环境也不同,有户外、室内,或恶劣环境下,比一般办公室的室内环境严峻许多,因此工业级的产品都必须符合严苛的环境,且能长时间稳定运作。然而工厂在兴建时,许多配线都已经固定住,日后设备扩充时,有线网络常有不敷使用或难以拉线到达的地方,此时工厂就可以考虑使用无线网络的解决方案。

无线网络的主要好处,就是「免牵线」、「传输距离广」,以无线区域网络(WLAN)为例,从甲地到乙地的传输范围就有几十米,若搭配工业级的无线网络装置与信号够强的天线,传到几公里以外的地方都不是问题。要是搭配电信网络,甚至相隔遥远的郊区厂房,都可以透过无线的方式来串连。

此外,由于导入工业以太网络(Industrial Ethernet)之后,其优点就是具备树状(Tree)、环状(Ring)和光纤(Optical)或电气(Electrical)双绞线网络等特性,不仅传输速度快且扩充弹性佳。其延伸出来的无线网络(Wireless)亦为通讯产业标准,能够与既有的工业以太网无线接轨,发挥更大的效用。

无线网络传输  打破场域限制

工业有线以太网络(Industrial Ethernet)主要应用在需要实时反应的自动化生产设备,提供几近零时差的同步需求。至于工业无线(Industrial Wireless)网络,则是由LAN延伸至WLAN,适合应用在非实时反应?同步的场域。例如不易安装配线、缺乏设置收线卷轴器空间、需要移动性操作设备的工作场域,导入WLAN,不仅能节省空间,省下布线的繁琐事务与成本,并可满足企业实时性需求等优势。

工业无线网络的应用范围很广,像是工厂内的AGV(Automated Guide Vehicle;自动导引无人搬运车)、搬运车遥控状态回报、无线天车、自动化控制(PLC)、POS联网、CNC加工、加工生产数据实时回报、个人化移动性机台操作器?维修设备等等,都能简单地整合至自动化控制平台中,让操作人员与管理者能够轻易透过LAN或WLAN来统一管控。

再者,工厂装设监控、传感、预警系统的作法也行之有年,主要目的就是侦测工厂环境是否受到外在因素的变化,进而立即阻断以防危机产生,例如火灾、气压、人为的窃盗、操作失误等等。过去这些都采用有线的设计,只能侦测定点的环境。

如今安控产业推出各种无线监控产品,其监视的影片能以Wi-Fi方式传到中央电脑系统,警卫人员就能实时掌控工安状况,维护工厂环境,保障人身安全,并掌握产线制程的状况,必要时还可能从线上来调整警示区域或发出警铃。

由于无线能符合临时性安装、设定、使用的需求,因此可弹性移动监看位置,进而改善工安。至于室外的监控与传感环境,尤其是大型场域(如水库、发电厂、炼油厂、钢铁厂、造船厂、机场、农地、森林区…等)地区,这些地方常常需要长期的环境监控,例如机械温度、电力输出品质、用电量收集、水库水位、气象、风力、温?湿度、气压、空气品质…等),可能地处险峻环境或腹地庞大,不利布线,因此监控地点大多设置在比较远处的地方,且传送距离较长,WLAN不见得能满足到这样的需求。

因此若企业对于这样的监控数据没有实时性的需求,可忍受较长的延迟时间,或能接受每几秒传送一次,这时候就可选择WWAN (如GPRS、3G、4G)来解决。

工业无线网络设备  满足工厂严峻环境

一般无线网络设备并不适用于工厂环境,因为工厂的环境通常较为恶劣,需要连接性佳、稳定性高、强固设计等需求,因此工业无线网络产品,必须提供更高可靠性,并能确保最低的干扰影响,以适用于工厂环境。也由于工厂设置无线网络的需求日益增加,让工业级无线网络设备的市场蓬勃发展。

工业级的无线网络设备,大多采用强固型设计,产品上会标示符合IPxx的防水/防尘等级,并有安装固定孔(mounting hole)能钉在墙上。以无线网络接取器产品为例,许多采用金属材质,提供快速散热、抗震、防摇晃、甚至可以在潮湿、宽温的环境下运作,抵御高低温或高湿气的场域环境。

工业无线网络设备依照市场的需求,有推出Wi-Fi AP/Router、Wi-Fi Bridge、Mesh AP等产品,在功能方面,工业网通设备还具备AP(存取点)、Client(用户)、Repeater(中继器)、Bridge(桥接)等模式选择,并有线上登入与监控等功能。

功能基本上跟一般商用的网通设备相似,但工业用的产品会注重在传输能力、稳定性与扩充性。如在射频规范部分,能支持802.11a/b/g/n/ac等无线网络标准,并内建IPv6、VLAN等基本功能。

有些具备多模、MIMO (2T2R/3T3R)等多重天线、多角度的收发能力,并可选购功率放大天线,来增加传输距离。有些还提供扩充模块,升级到能插入SIM卡,以GPRS/3G/4G LTE等方式来传输数据。

在连接孔部分,以工业路由器产品为例,都具备100Base-TX或1000Base-TX (Gigabit Ethernet)的连接孔,可以透过一般CAT-3或CAT-5的网络线来连接。有些产品还会另外提供RS-485/232/422等连接埠,以利工业自动化设备的连接之用。

电力设计方面,大多工业网通产品都具备PoE (Power over Ethernet;以太网供电)连接埠的备援电力设计,提供一到多组「受电端」的PD(Powered Device)埠,能透过以太网来供电并运行。有些产品本身就具备「供电端」的PSE (Power Sourcing Equipment)埠,能够供应电力给其他支持PoE的装置,例如网络电话、无线基站、网络摄影机、集线器、嵌入式电脑等等。

新一代提供PSE埠的工业网通产品,几乎能符合IEEE 802.3at-2009的PoE规范(又称为PoE+;PoE Plus规范),可提供25.5瓦的电力(即PSE端提供50?57V/600mA直流电,每埠至少30W的功率,经过100米CAT-5电缆线后,PD端可收到至少25.5W)。

相较于传统的802.3af-2003规范,只保证提供15.4瓦的直流电力(即 PSE端提供44?57V/350mA直流电,每埠可提供至少15.4W功率,经过100米CAT-3的电缆线后,因网络双绞线电力损耗,使PD端可收到的稳定功率只到12.95W)来说,新的PoE+能供应更大、更稳定的电流,以支持需要更大电力的高速无线网通产品。

至于工厂的短距无线网络应用中,以传感网络的闸道器(Gateway)产品为例,则提供物联网(Internet of Things;IoT)、工业无线传感网络(Industrial Wireless Sensor Networks;IWSN)专属的ZigBee、Z-Wave、WirelessHART或ISA100等短距无线传输协定,以蒐集从各个节点传来的传感数据,搭配工业路由器产品,将数据传至工厂监控端的SCADA网络。

在产品标示方面,除了符合各国安规之外,许多产品都会标示能支持的无线频段,并标示各波段的射出功率与收讯能力,另外还会标示操作模式、支持的通讯协定、作业环境(温湿度)、其他网络相关功能等详细信息。有些厂商还会提供传输距离的试算公式,让工厂人员能依照场域的实际需求,来选购适合的工业无线产品。