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建构工业4.0生产环境因应的嵌入式技术

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设置于远程的传感器,可能因为受损或遭受恶意实体破坏,必须搭配安全认证机制验证,防止伪造数据或提供错误感测状态信息,图中为瓦斯管线的压力传感器与自动控制阀门。Temboo

自从1784年第一个蒸气动力驱动机械推出以来,后续变革的工业革命,从现在最夯的工业4.0所诉求的高度自动化、高度集成与能弹性生产的智能工厂,基本上是由传感器、控制系统与互联网协议达成各种网络互连与智能化应用结晶...

实践工业4.0(Industry 4.0)的基本系统设计架构,主要由大量的传感器、致动器、自动控制系统、网状网络与多元网络架构缜密集成,搭配系统化设计的智能生产架构,不仅集成的复杂度高,导入的网通技术也是走在时代前沿的最新网通方案,也增加传统自动化产线朝向工业4.0智能生产方向升级目标的复杂性。

建构智能工厂,高效与高可靠度的网络环境是一大关键,尤其是针对智能终端、传感器部署的网络信息安全机制与防伪机制,也成为工业4.0应用导入的重要课题。ITRON RIVA

智能产线因应弹性生产需求,导致自动控制终端数量会呈现倍数成长,因此控制终端不仅性能需要扩增、体积要求更小,在I/O扩展性也备受考验,图中为高集成度、高扩展性的Micro PLC产品。Maxim

工业4.0导入自动化产线价值高

尤其是导入工业4.0后,不仅能实现生产设备与感测端点数据回送云端集成,搭配大数据资料分析进而优化生产流程、预测生产问题,提早针对可能产生的产线故障疑虑进行维护排程,同时透过生产智能化系统集成,在生产最初的物料、库存、成品进行完整数据与流程掌控,确实提早补足所需料件库存、或动态调配产线生产速度因应销售市场的需求变化,达到最低成本的备料、库存、运送与销售协调,也能藉由智能化生产极大化获利条件。

观察实际导入工业4.0的案例会发现,以General Electric的电池生产工厂为例,General Electric在Schenectady的工厂产线建置部署近1万个传感器控制终端,搭配传感器终端透过厂房内的骨干网络进行连接,透过产在线的加工节点所部署的传感器可以确认电池加工材料正在以何种工序进行多少程度的加工处理,同时每个单位生产成品在整个自动化产线留下多少碳足迹都可以透过云端平台进行确认,搭配厂房部署的无线网络应用环境,工作人员也能利用行动载具、平板计算机存取所需调阅的生产资料。

实时掌握生产数据  最大化生产效益

这种实时掌握生产数据、加工工序的能力,就是工业4.0智能生产流程最大的应用价值之一,尤其是透过网络集成与云端数据汇集、分析,同时搭配生产厂房完整、无死角部署的无线网络接取环境,产在线的操作人员可实时使用行动载具进行生产物件、材料与制品耗能查询,不仅能够实时预警可能的产线问题、进而及时处理排除故障,降低可能的产线停工或是错误工序处理的废料成本问题,大幅提生产线生产力与良率,同时也能强化操作人员或是智能系统预测生产问题的能力。

从General Electric进行工业4.0升级的案例可以理解,工业4.0应用于生产线或厂房转型智能工厂,可以再将产能与成本问题进一步优化,其关键就在第一线传感器终端、网络集成、云端服务、终端应用的缜密集成程度,而要实现工业4.0完美智能生产运行就必须检视分散式运算与自动控制、传感器部署、网络认证与安全性三大重点着手。

分散式运算终端降低控制终端与传感器部署难度

虽然自动化生产已导入生产线应用多年,但实际上要转移至智能生产,关键就在于在生产自动化再加入智能分析、运算的进阶判断能力,一般自动化生产线会以PLC(programmable logic controller)进行生产自动化所需的自动控制终端部署,但智能化产线为达到产线的灵活配置弹性,所需的控制细节更多、控制终端也会增加,繁复的PLC终端部署会造成接线复杂度提高、同时也可能造成控制延迟或是增加PLC的运算负荷,在发展智能生产应用可透过分散式运算降低暴增的控制终端运算负荷,透过体积微型化的PLC终端在扩增数量的同时、也不会造成部署上的困扰,而PLC不只是缩小体积,能用的I/O扩展通道数量也必须相对提升,同时针对高度配置弹性的产线要求,I/O也需要能扩展如类比/数码不同数据处理支持。

正如前述的智能工厂案例,投放部署大量感测终端,可以让生产控制人员快速取得最新的生产状态与加工能耗表现,进而起到提早发现生产问题、减少生产损失的作用,因此在工业4.0的应用前提下,生产线部署的传感器数量只会多不会少,传感器数量越多代表的是智能系统的感觉终端数据更实时、更精确,搭配后端巨量资料分析演算所得到的生产数据,也就能更趋近生产线况,进而找出优化生产流程的契机,而这个在传感器部署数量有限的产在线,就会因为数据的分辨率有限,分析所得的优化策略就会相对失准。

工业4.0更重视网络安全性与线路质量

网络架构是工业4.0智能生产环境得以实践的关键,若终端与云端巨量数据系统衔接上出现延迟或是连接不顺畅,自然也会影响智能化工厂的升级效益,其中网络架构与资料传输质量,就成为整个智能系统能否运行顺畅的重点。在智能工厂部署的传感器,为透过互联网通讯协定与主干网络进行连接,其间可能构过闸道器集成,而为了提升资料传输的完整性与安全性,虽产线中的网络系统环境通常为封闭式系统建置,但对于网络环境应有的安全性考量也必须重视,如搭配防火墙、网络交换机与闸道器区隔不同功能或区域的网通联机架构,搭配高安全性要求的网络配置,提高智能工厂网络的可靠度。

在部署自动控制终端,产线所使用的PLC数量也会因为需配置更高弹性的生产流程,而必须扩增每个生产节点的PLC功能或I/O数量,因此对于现有PLC性能与扩展性要求,也会较一般自动化产线部署需求更高,象是高集成度的PLC设备,或是模块化可扩展式PLC终端,就可以因应终端控制需求扩增或I/O数量提升的应用需求,在部署时就仅需透过模块扩展PLC功能支持而不需要增加过多的系统组件。

智能生产需求推进PLC、传感器设计持续优化

此外,终端PLC控制需求扩增,常见会采取增加部署数量满足系统建置需求,但PLC控制终端本身即具备一定程度的占位空间,若体积本身无法达到小型化要求,也会影响工业4.0智能产线升级的扩展应用价值。因此也有PLC业者推出所谓的微型PLC终端设计,透过嵌入式系统的高度集成减少电子电路占位面积,在PLC I/O模块上搭配高度集成的类比/数码I/O集成,搭配模块化堆叠扩充的系统扩展弹性,让整个PLC微型模块可以针对不同部署需求进行最佳化配置,增加智能生产线的集成应用价值。

因应工业4.0智能工厂集成需求,不只是控制终端在性能与扩展性须加强、同时还需要微缩设备体积,在各式关键传感器的部署条件,也会较未导入工业4.0的部署条件更为严苛,因为为了追求更细致、完成的生产数据撷取,传感器数量也会呈倍数成长,传感器本身即需要在提升资料撷取精密度、同时也必须在功耗与体积进行优化设计。

工业4.0集成重点即在网络集成,自动厂房使用的网络除安全性、可靠度要求更高,除了数据传输的资安要求外,象是传感器本身的连接系统安全性也会更为重视,例如多数传感器可能掌握重要生产原料液面高度、气体量、管道压力等感测数据,而这些感测数据采集端点距离系统较远,传送数据使用的线路也必须更为重视数据完整的实体安全特性,象是针对传感器本身是否受损导致数据误差、或是线路遭伪冒终端假造数据,没有搭配符合安全认证协议与防止窜改数据技术集成,也会影响掌握高危生产材料状态数据传感器的使用安全性。