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工廠自動化漸趨成熟 智慧感測器不可或缺
工業4.0的成功基石
[作者 王岫晨]   2019年08月13日 星期二 瀏覽人次: [2161]

技術的進步始終都是工業變革的先決條件。在生產業和物流業當中,基於資料、聯網、自主控制的價值鏈,已經成為近年來技術創新的新頂峰。而這樣的發展,正是被人們稱為第四次工業革命的工業4.0新趨勢。


工業4.0看起來是個未來式,然而其實此刻正在發生中,眼前的第四次工業革命正如火如荼地進行著,在全球市場皆然。而面對複雜的機械環境,網路化生產與控制流程不再是天方夜譚。



圖一 : 動態、實時優化且自組織的自動化工業流程基礎,是收集足夠數據資訊並對其進行再加工。感測器身為提供數據資料的第一線元件,對於智慧工廠將不可或缺。
圖一 : 動態、實時優化且自組織的自動化工業流程基礎,是收集足夠數據資訊並對其進行再加工。感測器身為提供數據資料的第一線元件,對於智慧工廠將不可或缺。

動態、實時優化且自組織的自動化工業流程基礎,是收集足夠數據資訊並對其進行再加工。在這種情況下,感測器身為提供數據資料的第一線元件,對於智慧型工廠將不可或缺。我們可以說,感測器是成功推動工業4.0的先決條件。


智慧感測器實現更多可能性


圖二 : 面對複雜的機械環境,網路化生產與控制流程不再是天方夜譚,而背後功臣正是智慧感測器。
圖二 : 面對複雜的機械環境,網路化生產與控制流程不再是天方夜譚,而背後功臣正是智慧感測器。

在此刻,在生產線和物流業中,基於資料、聯網、自主控制的價值鏈,已經成為近年來技術創新的高峰。而通訊技術也日新月異,藉此,在透明化的生產線中,機器透過智慧型感測器相互溝通,或者直接與網際網路或雲端連結,這使得互聯工廠也因此成為可能。事實上,互聯工廠可視為是工業4.0的先決條件。每個感測器、每個機器人和所有的工作人員,均可在這個平台上隨時相互通訊,這就為全新應用創造了可能性。


智慧製造的興起,帶動了工業物聯網(IIoT)架構逐漸普及,在未來,製造系統中的感測器數量會越來愈多。在此同時,小尺寸、高整合性、精確性與低耗電等需求也同步增加,尤其是在部分高自動化、智慧化製造架構所延伸出的無人(關燈)工廠的生產概念,對於感測器的功能需求更高,佈建也將更廣泛。


在過去,製造系統對感測器的主要需求,都是以感測器品質為主,不過在智慧製造的時代,數據的品質已成為基本要求,而其他功能要求如使用時間、設備狀態等也都開始浮現,放眼這些需求,將讓整體市場開始發生變動。


工業系統運作考量

在透明化的生產線中,機器透過智慧型感測器相互溝通,或者直接與網際網路或雲端連結,這使得互聯工廠也因此成為可能。


圖三 : 高自動化與智慧化的工廠,對於感測器的功能需求更高,佈建也將更廣泛。
圖三 : 高自動化與智慧化的工廠,對於感測器的功能需求更高,佈建也將更廣泛。

觀察目前製造市場的應用現況,對感測器的需求可分為高性價比、以及進階版高效能兩類,因應市場的不同,這兩種感測器的功能需求也有所不同。以電子業所使用的高性價比光學感測器為例,小體積或小孔位的物體,需要小型光斑與背景抑制,PCB一般會需要3點光斑,至於LCD則要用到大型光斑感測器。而高效能的光電感測器,目前已有廠商推出具備雷射光源,並藉助其更小尺寸光點與內建陣列的檢測設計,讓電子產品的製程檢測更精密穩定。


除此之外,在工業物聯網中,感測器與上層網路的鏈結也越來越緊密。在目前的智慧製造趨勢中,感測領域最重要的標準是IO-Link,多數的工業感測器廠商都已將之列入規格之中。


在製造系統中,感測器所佔的成本並不高,不過,不論是設備或產品感測,感測器都是在智慧製造系統中,啟動系統運作的第一步,對於整體系統是極為關鍵的角色。因此,系統業者在採購時,不能只從成本因素進行考量,否則將會因小失大,危及整體系統的效能。


克服資訊落差 滿足應用方需求

工業物聯網近年來已經成為製造業的熱門議題。目前製造業者導入工業物聯網的功能訴求,仍以機台的預防保養與節能為主,而不管是機台的預防保養或節能,感測器在其中都扮演了重要角色。此外,感測器的導入,也是建構智慧製造系統的第一步。各類型系統與功能都需要建置感測器,而設備所需要偵測的數據不外乎震動、電流、溫度等。對此,感測器供應商也推出整合多種功能的感測器產品,透過市場端回饋的訊息,打造出更能滿足市場需求的感測器解決方案。


以目前感測器市場來看,需求方的終端使用企業就曾指出,目前市面上的感測器多為單一功能,而部分領域像是高科技廠房,所需要的感測器數量龐大,採購價格會因此受限。因此,高性價比的多合一感測器方案才是市場眾望所歸。而事實上,目前市場上已推出多合一功能的感測器產品一段時日,可見需求方與方案供應商之間的溝通橋樑並未暢通,資訊產生落差,因此供應商要想掌握市場商機,對於產品資訊的傳遞仍需多下功夫。



圖四 : 感測器的佈建,是讓傳統工廠成功轉型為智能工廠的關鍵。
圖四 : 感測器的佈建,是讓傳統工廠成功轉型為智能工廠的關鍵。

此外,還需注意的是系統導入感測器的疑慮,尤其是隨著需求的增加,若未來導入不同品牌的工業感測設備時,包括系統整合、資訊安全等問題,都有可能導致客戶卻步。而在導入感測設備之後,系統功能與現場工作人員的工作又該如何重劃界定,且工作界定之後,系統在廠房中的特殊應用功能,也需以專業知識來加以克服,而這部分就必須仰賴系統整合廠商與應用企業雙方間的密集溝通。


高整合vs.單一感測

至於一般市場所關心的高整合度,對於商用規格與工業規格的感測器將各自有不同的發展方向。先看商用感測器的部分,隨著物聯網與穿戴式裝置的普及,成功整合感測器將是下一步發展重點。近年來感測系統紛紛走向多軸化趨勢,隨之而來的感測器整合工作,也成為了設備業者與系統業者的重要工作,畢竟沒有設計工程師會希望所採用的多顆感測器分散在電路版上的不同角落,不僅增加設計的困難度,對於系統的輕薄化也將毫無任何幫助。


目前感測器大廠所主推的方案,除了單顆感測器之外,模組化的感測系統也十分常見,甚至是近年來最受到設計人員歡迎的方案。透過模組化來將多顆(或多軸)感測器整合在一起,多半還會加上自家的處理器或MCU等運算單元。透過旗下產品線打造出整體解決方案,將整套感測系統一併出貨給相關的系統商或設備商,可以一次解決所需要的感測器問題。


一體化的模組式感測方案可為設計省下不少麻煩,而現在的趨勢則在於進一步透過系統級封裝,來打造單一顆完整的感測系統晶片,以滿足感測系統高度整合的市場需求。


在消費市場的商規感測器上,高整合是減少成本與降低複雜度的好方法。然而對於工業規格的感測器來說,工業客戶往往希望能專注於單一種類的感測能力,並將這單一功能感測器的精確度做到最佳化,因此他們反而不需要過多的整合,以及過高的感測器軸數。關於這部分,在本單元下一篇文章的感測器方案介紹中,將會有更詳細深入的說明。


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