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大数据时代下,我们仍需要更大的工厂空间吗?
[作者 Gus Panella]   2023年08月22日 星期二 浏览人次: [2239]

实现制造新功能的关键是超越现有技术,首先要树立「微小型化无所不在」的概念,并采取相应行动,由於工厂思维模式的转变,需要创新型的网路架构方法配合支援现代化工作流程。


一提到工厂,让人联想到广阔的空间、大型设备和许多在努力工作以维持产品在生产线上运转的工人。


现代制造业带来的挑战,往往无法通过扩大工厂空间的方法来应对。绝大多数制造商虽然都希??实现最新的构想,并获得最尖端的生产能力,但却不能为此而拆除和重建现有的工厂。


工厂需要现代化空间


图1 : 利用工业4.0的现代制造,让过程中的所有部分都变得「智慧」。
图1 : 利用工业4.0的现代制造,让过程中的所有部分都变得「智慧」。

利用工业4.0的现代制造意味着处理的资料更多、分析速度更快,并且采用物联网(IoT)技术以及机器学习和电脑视觉等先进嵌入式技术,这些技术共同改变了产品、零组件、元件的制造过程,使制造过程的所有部分都变得「智慧」。


提高制造效率、有效性、灵活性和回应能力等,成为了额外要面临的挑战,我们在做一些以前不可能实现的事情,同时支援现代需要的工作流程。


以前在设计制造设施时所考虑的是如何提高设施的生产能力、韧性和长久适用性。在传统IT技术领域,资料采集和监控系统(SCADA)网路,以及进行实体连接的工业控制器是非常典型的设备;但是与工业4.0相较之下,这些技术设备的频宽有限,可能无法利用最新科技进步带来的优势。


小型化设备在整合新功能方面发挥着重要作用,凭藉小型化技术设备,我们能够更轻松跨越现有工厂的空间限制,实现重大的技术进步。


精简网路架构规模

很显然,实现新功能的关键是超越现有技术,但首先要树立「微小型化无所不在」的概念,并采取相应行动,因为工厂思维模式的转变,需要创新型的网路架构方法以作配合。


不久以前,一家先进的工厂使用感测器和工业控制器从自动化机器设备中收集资料,这些资料通过专有网路传送到能以软体进行分析的中央伺服器,并向管理人员提供报告以利於进一步分析。


当前最先进的工厂采用高度分散计算的网路,该网路在控制器甚至感测器装置上具有边缘计算功能,网路中嵌入专门的电脑,可以协助运行复杂软体,包括人工智慧应用程式,以进行第一级资料处理。这些边缘设备将监测和控制过程转换为智慧子系统的集合,这些子系统以资讯的形式传递其消化的资料,进而增加了数位智慧的能力。


由於分散计算式网路架构和远端处理系统是安装在无法轻松扩建以增大空间的建筑物内,网路通道以及内外部的所有控制和监控设备必须尽可能小巧,以便在不占用更多空间的情况下提供所需等级的功能和效能。


构建强大的通讯网路

在现代工厂中,我们需要跨区域收集并传输资料,然後对其进行集中处理。除此之外,工业物联网(Industrial Internet of Things;IIoT)应用还需要使用不间断运行的可靠电源;要实现工厂设备的完全连接和整合,第一个基本步骤是构筑网路和通讯性能,其中涉及到实现有效和高效的电力输送。


物联网是工业乙太网的骨干,可以使用Cat5e/Cat6电缆和标准网路硬体来建置,传输速率最高可达1 Gbps。但是,工业乙太网也有局限性,例如最大覆盖半径为100公尺。工业乙太网通常使用M8或M12连接器,对於某些应用(例如感测器连接)来说,这些连接器的尺寸似??太大。我们可以在网路中设置中继器,或者可以使用光纤介质进行传输,但这些方法更昂贵,更难以维护和维修。当前版本的电缆可以为每个连接埠提供15.4或30瓦特的乙太网供电(PoE)。


在工业物联网应用来说,单对乙太网(Single Pair Ethernet;SPE)技术是相对较新的选择,也是更上乘的解决方案。与使用2对或4对电缆不同,单对乙太网使用单根双绞线就可以完成所有工作,传输速率可达到1 Gbps,并提供最高达50瓦特的资料线供电(Power over Datalines;PoDL)。根据IEEE802.3ch标准,单对乙太网的传输速率有可能达到10 Gbps。


线数减少可使??座的连接器和电子元件小型化,因此SPE埠更易於挤进狭窄的空间;而且SPE与现有的乙太网基础设施相容,单个连接器可同时连接电源和讯号电路,实现设计精简化,降低尺寸和成本。



图2 : 要实现工厂设备的完全连接和整合,构筑网路和通讯性能是第一个基本步骤。
图2 : 要实现工厂设备的完全连接和整合,构筑网路和通讯性能是第一个基本步骤。

添加更多连接埠

下一步是监控工厂现场的运转情况。产品的尺寸和形状是否合适?设备生产是否发生延迟?也许工厂除了收集资料之外还想控制自动化过程或机器人。


有了合适的通讯网路,就可以为现有工厂提升重要的性能。相容乙太网的设备可以与SPE配合使用,因此现有设备可以连接到网路。


使用这种方法,可以相对容易地添加感测器和设备来升级性能,例如其中一个带有可以记录振动的感测器,内含感测器的箱体可以贴装在机器设备上以测量设备的振动幅度。如果振动幅度开始增加,则预示着马达负载处於不平衡状态、零件松动或一系列其他故障。或者是可以添加一个小型视频感测器来测量红外线讯号,以确定通过传送带上的农产品是否有隐藏的瘀伤。感测器可以向设备发出讯号,将损坏的农产品转移到他处进行个别处理。


应对讯号传输方面的挑战的另一个方案是5G通讯,5G通讯特别吸引人的地方,在於它使用几??免布线的方式处理高资料速率。5G技术需要在工厂中各处的单个设备上安装天线阵列,以捕获短程传输讯号。


深谙微小型化技术

Molex莫仕在生产电气装配组件、零组件、连接器和电缆方面拥有悠久的历史和专业技能,该公司也是SPE技术的早期叁与者。Molex莫仕可以通过提供小型化连接器、布线、感测器或其他技术来帮助企业扩大能力,并且提升智慧化水准,进而打造更智慧敏捷的工厂。最终,工厂不必因现代技术的不断变化而扩大面积。事实上,如果采用正确的方法,工厂面积甚至可以缩小。


(本文作者Gus Panella为Molex莫仕数据专业解决方案互连技术总监)


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