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工厂自动化渐趋成熟 智慧感测器不可或缺
工业4.0的成功基石

【作者: 王岫晨】2019年08月13日 星期二

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技术的进步始终都是工业变革的先决条件。在生产业和物流业当中,基於资料、联网、自主控制的价值链,已经成为近年来技术创新的新顶峰。而这样的发展,正是被人们称为第四次工业革命的工业4.0新趋势。


工业4.0看起来是个未来式,然而其实此刻正在发生中,眼前的第四次工业革命正如火如荼地进行着,在全球市场皆然。而面对复杂的机械环境,网路化生产与控制流程不再是天方夜谭。



图一 : 动态、实时优化且自组织的自动化工业流程基础,是收集足够数据资讯并对其进行再加工。感测器身为提供数据资料的第一线元件,对於智慧工厂将不可或缺。
图一 : 动态、实时优化且自组织的自动化工业流程基础,是收集足够数据资讯并对其进行再加工。感测器身为提供数据资料的第一线元件,对於智慧工厂将不可或缺。

动态、实时优化且自组织的自动化工业流程基础,是收集足够数据资讯并对其进行再加工。在这种情况下,感测器身为提供数据资料的第一线元件,对於智慧型工厂将不可或缺。我们可以说,感测器是成功推动工业4.0的先决条件。


智慧感测器实现更多可能性


图二 : 面对复杂的机械环境,网路化生产与控制流程不再是天方夜谭,而背後功臣正是智慧感测器。
图二 : 面对复杂的机械环境,网路化生产与控制流程不再是天方夜谭,而背後功臣正是智慧感测器。

在此刻,在生产线和物流业中,基於资料、联网、自主控制的价值链,已经成为近年来技术创新的高峰。而通讯技术也日新月异,藉此,在透明化的生产线中,机器透过智慧型感测器相互沟通,或者直接与网际网路或云端连结,这使得互联工厂也因此成为可能。事实上,互联工厂可视为是工业4.0的先决条件。每个感测器、每个机器人和所有的工作人员,均可在这个平台上随时相互通讯,这就为全新应用创造了可能性。


智慧制造的兴起,带动了工业物联网(IIoT)架构逐渐普及,在未来,制造系统中的感测器数量会越来愈多。在此同时,小尺寸、高整合性、精确性与低耗电等需求也同步增加,尤其是在部分高自动化、智慧化制造架构所延伸出的无人(关灯)工厂的生产概念,对於感测器的功能需求更高,布建也将更广泛。


在过去,制造系统对感测器的主要需求,都是以感测器品质为主,不过在智慧制造的时代,数据的品质已成为基本要求,而其他功能要求如使用时间、设备状态等也都开始浮现,放眼这些需求,将让整体市场开始发生变动。


工业系统运作考量

在透明化的生产线中,机器透过智慧型感测器相互沟通,或者直接与网际网路或云端连结,这使得互联工厂也因此成为可能。


图三 : 高自动化与智慧化的工厂,对於感测器的功能需求更高,布建也将更广泛。
图三 : 高自动化与智慧化的工厂,对於感测器的功能需求更高,布建也将更广泛。

观察目前制造市场的应用现况,对感测器的需求可分为高性价比、以及进阶版高效能两类,因应市场的不同,这两种感测器的功能需求也有所不同。以电子业所使用的高性价比光学感测器为例,小体积或小孔位的物体,需要小型光斑与背景抑制,PCB一般会需要3点光斑,至於LCD则要用到大型光斑感测器。而高效能的光电感测器,目前已有厂商推出具备雷射光源,并藉助其更小尺寸光点与内建阵列的检测设计,让电子产品的制程检测更精密稳定。


除此之外,在工业物联网中,感测器与上层网路的链结也越来越紧密。在目前的智慧制造趋势中,感测领域最重要的标准是IO-Link,多数的工业感测器厂商都已将之列入规格之中。


在制造系统中,感测器所占的成本并不高,不过,不论是设备或产品感测,感测器都是在智慧制造系统中,启动系统运作的第一步,对於整体系统是极为关键的角色。因此,系统业者在采购时,不能只从成本因素进行考量,否则将会因小失大,危及整体系统的效能。


克服资讯落差 满足应用方需求

工业物联网近年来已经成为制造业的热门议题。目前制造业者导入工业物联网的功能诉求,仍以机台的预防保养与节能为主,而不管是机台的预防保养或节能,感测器在其中都扮演了重要角色。此外,感测器的导入,也是建构智慧制造系统的第一步。各类型系统与功能都需要建置感测器,而设备所需要侦测的数据不外??震动、电流、温度等。对此,感测器供应商也推出整合多种功能的感测器产品,透过市场端回??的讯息,打造出更能满足市场需求的感测器解决方案。


以目前感测器市场来看,需求方的终端使用企业就曾指出,目前市面上的感测器多为单一功能,而部分领域像是高科技厂房,所需要的感测器数量庞大,采购价格会因此受限。因此,高性价比的多合一感测器方案才是市场众??所归。而事实上,目前市场上已推出多合一功能的感测器产品一段时日,可见需求方与方案供应商之间的沟通桥梁并未畅通,资讯产生落差,因此供应商要想掌握市场商机,对於产品资讯的传递仍需多下功夫。



图四 : 感测器的布建,是让传统工厂成功转型为智能工厂的关键。
图四 : 感测器的布建,是让传统工厂成功转型为智能工厂的关键。

此外,还需注意的是系统导入感测器的疑虑,尤其是随着需求的增加,若未来导入不同品牌的工业感测设备时,包括系统整合、资讯安全等问题,都有可能导致客户却步。而在导入感测设备之後,系统功能与现场工作人员的工作又该如何重划界定,且工作界定之後,系统在厂房中的特殊应用功能,也需以专业知识来加以克服,而这部分就必须仰赖系统整合厂商与应用企业双方间的密集沟通。


高整合vs.单一感测

至於一般市场所关心的高整合度,对於商用规格与工业规格的感测器将各自有不同的发展方向。先看商用感测器的部分,随着物联网与穿戴式装置的普及,成功整合感测器将是下一步发展重点。近年来感测系统纷纷走向多轴化趋势,随之而来的感测器整合工作,也成为了设备业者与系统业者的重要工作,毕竟没有设计工程师会希??所采用的多颗感测器分散在电路版上的不同角落,不仅增加设计的困难度,对於系统的轻薄化也将毫无任何帮助。


目前感测器大厂所主推的方案,除了单颗感测器之外,模组化的感测系统也十分常见,甚至是近年来最受到设计人员欢迎的方案。透过模组化来将多颗(或多轴)感测器整合在一起,多半还会加上自家的处理器或MCU等运算单元。透过旗下产品线打造出整体解决方案,将整套感测系统一并出货给相关的系统商或设备商,可以一次解决所需要的感测器问题。


一体化的模组式感测方案可为设计省下不少麻烦,而现在的趋势则在於进一步透过系统级封装,来打造单一颗完整的感测系统晶片,以满足感测系统高度整合的市场需求。


在消费市场的商规感测器上,高整合是减少成本与降低复杂度的好方法。然而对於工业规格的感测器来说,工业客户往往希??能专注於单一种类的感测能力,并将这单一功能感测器的精确度做到最隹化,因此他们反而不需要过多的整合,以及过高的感测器轴数。关於这部分,在本单元下一篇文章的感测器方案介绍中,将会有更详细深入的说明。


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