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工業4.0步步進逼 新一代感測器持續升級
不再只是數據擷取
[作者 王岫晨]   2019年09月04日 星期三 瀏覽人次: [892]

面對智能工廠的發展趨勢,新一代感測器也不斷進行升級,例如更低的功耗,甚至可以結合工廠的綠能環境。


工業感測器是工廠自動化和工業4.0的關鍵組成元件。最常見者包括運動、環境和振動感測器等,可用於監測設備的健康狀況。此外,還有包括線性或角度定位、傾斜感應、水準測量、衝擊或跌落檢測等,可滿足智能工廠各不同環節的感測應用。


基於MEMS元件的專用工業運動感測器非常適用於工業4.0的應用需求,這種類型的感測器不止具有更大的機械頻率感應頻寬,還擁有高可靠性、穩定的測量和高達105℃的精確操作溫度範圍。


工業感測器系統通常由24V的DC電源供電,這與由3V或5V電源供電的消費性裝置系統中的感測器非常不同。因此,工業感測器系統需要額外的電源管理來有效地驅動感測裝置。它們將數位輸出介面(如IO-Link)直接連接到微控制器甚至無線收發器。類比數據輸出通常由運算放大器來進行調節,並與微控制器中的類比數位轉換器(ADC)相連。


工業自動化感測器


圖一 : 工業感測器是工廠自動化的關鍵組成元件。最常見者包括運動、環境和振動感測器等。
圖一 : 工業感測器是工廠自動化的關鍵組成元件。最常見者包括運動、環境和振動感測器等。

有幾種類型的工業感測器類型,包括以下幾種:


溫度感測器

溫度感測器可以感測從正係數類型設備到負係數類型設備,以及RTD(電阻溫度檢測器)的變化量。


正溫度係數(PTC)熱敏電阻是具有正溫度係數的電阻器,因此電阻隨溫度增加。這通常用矽材料來構建,以提供線性特性。相反,開關型PCT熱敏電阻具有非線性溫度測量曲線。當熱敏電阻加熱時,電阻會降低,直到達到臨界溫度,之後溫度會升高。


它們通常用於工業設備中的電動機組以及監控繼電器,以提供過熱保護以防止絕緣損壞。非線性響應曲線在最大允許的溫度下電阻顯著增加,觸發繼電器以防止過熱。然後,這可以鏈接到無線感測器網絡。


負溫度係數(NTC)熱敏電阻,其電阻隨溫度降低,在0℃至70℃的正負0.1℃或0.2℃的寬溫度範圍內具有精確的準確度,且具有長期穩定性。這些通常用於IIoT和智能工廠的熱敏電阻探頭組件,可應用於故障診斷。熱敏電阻感測元件可用於監控與無線感測器系統連接的各種系統。



圖二 : 在高科技工廠中,工業感測器在處理系統的精度和可靠性方面發揮著不可或缺的作用。
圖二 : 在高科技工廠中,工業感測器在處理系統的精度和可靠性方面發揮著不可或缺的作用。

距離(接近)感測器

電感式接近感測器可以檢測附近的金屬,使人機界面(HMI)更安全。有2和3線DC版本以及帶有單獨放大器的感測器,用於高速操作。雷射測距(雷射雷達)感測器可以在一維空間中用於物體檢測,例如在輸送線上用作紅外線運動感測器。2D雷射雷達感測器可用作位置感測器,以識別生產線中零件的位置。


震動感測器

振動感測器可以使用MEMS加速度計或壓電晶體來測量振動頻率,並根據被監測系統的諧波進行調諧。震動感測器為故障診斷提供重要的數據採集,而加速度計可用作運動感測器,以提供傾斜、跌落和衝擊測量。


其他感測器

其他感測器還包括有壓力、pH、流量、濕度、超音波、PIR、光電感測器等。例如在自動化工廠中經常可見到佈建於設備上的壓力感測器,用於測量液體酸度的pH感測器,以及用於監控執行器的流量感測器、濕度感測器和超音波感測器等。而PIR感測器、光電感測器和旋轉編碼器等則可用作工業自動化系統中閾值測量的限位開關。所有這些物聯網感測器都可透過工業感測器網路(包括有線或無線)連接,然後數據資料返回物聯網,提供實時分析和條件監測。


結合AI 為感測器導入機器學習能力

一般來說,工業用的工規感測器與消費等級的商規感測器需求就不相同。除了工業規格需要能適應更寬的工作溫度之外,更重要的則是在於感測器的穩定度,以及供貨的持久度。一般來說,商用感測器由於配合終端產品的快速產品更迭週期,大約4~5年的供貨期就大致已經符合需求,然而工規感測器卻必須要能滿足長達10年的穩定供貨。再者,工業4.0的應用環境對於連網的需求大增,因此感測器多半還必須要賦予連網能力,才能進一步加快智慧工廠實現的腳步。


意法半導體(ST)亞太區資深產品行銷經理陳建成指出,面對智能工廠的趨勢,新一代的感測器也進行不斷的升級,例如更低的功耗,甚至可以結合工廠的綠能環境。以目前ST新一代的工業感測器為例,已經加入了休眠功能,在低功耗狀態下還能維持穩定運作,持續環境的偵測行為而不中斷功能。此外,感測器的智能化也是邁向工業4.0不可或缺的關鍵。針對感測器的智能化,ST也為感測器導入機器學習(ML)的能力,並結合AI,如此不只可讓工廠中的自動化設定最佳化,更可提升整體的生產效能。


感測元件讓機器人擁有『眼睛』與『耳朵』

ADI擁有許多應用於機器人的感測器。例如MEMS、LiDAR、RADAR、TOF和接近感測等技術,這些技術使機器人能擁有更多的『眼睛』和『耳朵』。ADI亞太區工業自動化行業市場部經理于常濤指出,目前ADI的MEMS感測器產品線包括了加速度計、陀螺儀和IMU等,由於在零偏穩定性、溫度回置特性、長時穩定性、以及震動條件下的性能,都遠遠超過消費等級的MEMS感測器產品,因此在工業領域中,被廣泛應用於各種機器人、無人機的導航、以及機械自動化的穩定等功能。


以目前ADI所推出的ADIS16470系列高性能IMU來看,透過三軸MEMS加速度計和陀螺儀共可提供6自由度(DoF)檢測,並注重工業『運動物聯網』及其對精準地理定位的需求。其性能令系統能精確地表徵運動,不受湍流、振動、風、溫度和其他環境干擾,從而實現更精準的導航和引導和/或儀器穩定度。


基於ADI產品的LiDAR和TOF技術可以實現高精度的蔽障功能,適用於AGV等領域。ADI2018年收購的symeo公司,使ADI在毫米波雷達方面不僅能提供晶片,也能夠提供整體解決方案。例如,利用60GHz雷達,可以實現mm級的距離測量,相應的產品被廣泛應用在大型廠礦設備的精確定位和自動化運作上。


為工業感測器提供最佳性價比


圖三 : 隨著設備與技術變得越來越依賴於物聯網,可以檢測來自物理世界的訊息並執行指定指令,正成為新產品設計中不可或缺的一部分。
圖三 : 隨著設備與技術變得越來越依賴於物聯網,可以檢測來自物理世界的訊息並執行指定指令,正成為新產品設計中不可或缺的一部分。

在當今的高科技工廠中,工業感測器在處理系統的精度和可靠性方面發揮著不可或缺的作用。但是感測器必須足夠耐用以在工業環境中工作,並且足夠小以適應整合於印刷電路板(PCB)上的有限空間。此外,應對的另一個挑戰就是:降解效應,例如光柵就是一個例子。對於客戶想選擇最佳性價比的高品質工業感測器半導體,英飛凌的產品將是首選。目前英飛凌也提供了廣泛的解決方案來滿足客戶設計所需的所有產品,而且都具備最好的品質。


除了搭配XMC1000系列微控制器來發揮感測器功能之外,英飛凌也透過對於工業感測器應用的深入了解,幫助客戶的系統開發出合適的解決方案。至於另一個優點則是,英飛凌提供了專門針對工業感測器的參考設計,例如用於雷達液位計的24GHz晶片組。


實現物聯網願景

對於羅姆來說,檢測環境與物理條件的感測器,和傳輸以及共享感測器數據的網絡,對於實現物聯網將至關重要。ROHM集團也將來自自家、LAPIS和Kionix等不同專有技術結合起來,提出解決方案並打造下一代的感測器網路產品開發。


讓感測器滿足各種電機需求

從減少意外停機時間到預防性維護的計劃時間,TE Connectivity(TE)的感測器解決方案可測量和監控工業電機的振動、溫度和位置,以確保工廠設備間的高效運行。在惡劣環境和條件下可進行精確測量,並可將感測器的範圍擴展到各種類型的設備和製程。更具體地說,TE的工程感測解決方案可滿足各種電機應用的獨特要求,包括大型設備操作和更精確的功能。此外,具有多個數位輸出信號和無線感測器技術的感測器,也可使工廠能夠轉變為更具智能的連接操作。



圖四 : 工業感測器需要能適應更寬的工作溫度之外,更重要的則是在於感測器的穩定度。
圖四 : 工業感測器需要能適應更寬的工作溫度之外,更重要的則是在於感測器的穩定度。

智能化感測器不可或缺

隨著設備與技術變得越來越依賴於物聯網,可以檢測來自物理世界的訊息並執行指定指令,或將數據中繼到其他系統的智能感測器,正在成為新產品設計中不可或缺的一部分。瑞薩提供可擴展的微控制器解決方案,還包括放大器和緩衝器、接口設備(RS-485/422和RS-232)、電壓基準、類比數位轉換器、數位類比轉換器和開關穩壓器等,以提供支持下一個小型到大型感測器和執行器的設計之用。


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