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從工廠自動化到生產管理的藍牙應用
藍牙前進工業市場

【作者: 黃弘毅】   2024年02月21日 星期三

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藍牙無線通訊的應用,從短距離的個人區域網路來連接周邊裝置,一路發展下來,其效能與穩定性都逐漸提升到了工業級的水準,加上應用範圍廣泛,操作人員容易熟練應用等特性,未來在工業市場上普遍被各界所看好,各種應用模組已開始提供給業者來加以採用了。


工廠自動化需要連線的設備或裝置

工廠自動化所需要的設備與裝置,視不同的產業、產品、製程而有所差異,但一般而言,常見的有以下幾種:機械手臂、感測器、控制器、通訊網路、電腦系統,以及各種輸送運補與檢測裝置等。這些都有連線應用與管理上的需求,在實際規劃上則要考慮下面幾個面向:


1.設備之間的互通性:要確保不同廠牌、型號、規格的設備之間,能夠透過標準化的通訊協定、介面、格式,進行資料的傳遞與交換,避免資訊的斷層或不一致。


2.資訊的安全性:要確保工廠的資訊系統,能夠抵抗外部的攻擊、干擾、竊取,並採取適當的加密、驗證、備份、恢復等措施,以保障資訊的機密性、完整性、可用性。


3.系統的可靠性:要確保工廠的自動化系統,能夠持續、穩定、正確地運作,並具備自我診斷、自我修復、自我調整的能力,以應對各種突發的故障、變化、需求。


4.人員的素質:要確保工廠的人員,能夠熟悉、操作、維護、改善工廠的自動化系統,並具備相關的知識、技能、態度,以配合自動化的生產模式。



圖一 : 工業生產的裝置需要各種無線通訊來連結
圖一 : 工業生產的裝置需要各種無線通訊來連結

在相關連線的設備裝置中,有些是得以用無線網路來連結,以增加更多的機動性與方便性,甚至因而使效率提升、成本降低,以及資源的有效應用。以無線藍牙應用而言,由於藍牙無線技術也持續發展和改進,已漸漸能提供工廠自動化及工業物聯網的需求和挑戰。例如,最新的藍牙5.2標準,可以提供更高的資料傳輸率、更低的功耗和更多的同步連接數。


藍牙無線在工業應用的優勢

藍牙技術具有成本低、功耗低、易於部署等優勢,因此在工業市場具有廣闊的應用前景。隨著藍牙技術的不斷發展,其在工業市場的應用將更加深入和廣泛。目前主要的應用與優勢如下:


1.藍牙無線技術可以與行動裝置原生支援,方便用戶透過智慧型手機或平板電腦控制和監測IIoT裝置。


2.藍牙無線技術支援網狀網路(mesh network)模式,可以讓多個裝置互相連接和傳遞資料,延伸網路範圍,增加網路穩定性和彈性。


3.藍牙無線技術具有低延遲和高安全性的特性,可以滿足一些即時性和敏感性的工業應用,例如機器控制、感測器網路和預測性維護。


藍牙通常用於在嚴酷的工業環境中快速、可靠地傳輸控制資料。它具有特殊操作模式,可以建立可靠穩定且支援便捷組態的無線連接。藍牙通常是即開即用的,並已在成千上萬的應用中成功使用。


現在的藍牙連線距離更加強了,與遠距離的自動化工作站通訊,藍牙可在長達 200 m的距離內實現可靠的無線控制通訊。同時藍牙技術也適用於需要與快速旋轉的機器元件通訊的場景。即使現場有其他無線網路,藍牙也可用於將乙太網路和PROFINET資料或I/O訊號傳輸至活動的或滾動的機器元件。藍牙和 WLAN(無線區域網路)的工作頻段都是2.4 GHz。透過自適應跳頻(AFH)和頻道黑名單功能,藍牙與WLAN可以實現良好共存。AFH可以識別出WLAN系統佔用的頻道,並自動排除被WLAN佔用的頻道。



圖二 : 典型的藍牙網路結構(source:PHOENIX CONTACT)
圖二 : 典型的藍牙網路結構(source:PHOENIX CONTACT)

總之,藍牙技術在工業自動化網路中已成為備受重視的通訊解決方案,特別適合將資料傳輸至活動的或滾動的機器元件。


藍牙無線在工業應用中的缺點

雖然藍牙技術在工業市場中具有許多優勢,但也存在一些缺點,包括:


1.有限的傳輸距離:藍牙技術的傳輸距離通常受限於10 m至200 m之間,這在某些大型工業場所中可能會造成覆蓋範圍不足的問題,需要設置更多的中繼設備來擴展覆蓋範圍,或與其他無線網路的配合銜接。


2.干擾和信號衰減:在工業環境中,可能存在許多干擾源,如其他無線設備、金屬結構、機器設備等,這些干擾會導致藍牙信號的衰減或干擾,影響通信的穩定性和可靠性。


3.安全性風險:藍牙技術的安全性問題也是一個考慮因素,例如可能存在的連接安全漏洞、身份驗證問題、數據加密不足等,這可能會使得工業系統容易受到攻擊和入侵。


4.能耗:藍牙技術在傳輸數據時需要消耗電量,尤其是在持續通信的應用場景下,這可能會對設備的電池壽命產生影響,需要考慮能耗管理和優化。


5.裝置版本相容性問題:由於藍牙技術標準的不同版本和廠商之間的定製實現,可能存在相容互操作性問題,這會給系統集成和管理帶來一定的挑戰。


藍牙裝置辨別與連線上的困擾

在生產線上有非常多的裝置與機械元件,加上消費性電子產品的藍牙裝置也可能混雜在一起,因此要如何管理以避免錯亂也是一大課題:


一般消費性藍牙設備的命名規則通常不一致,且缺乏明確的識別資訊,例如設備型號、生產廠商等。這可能會造成工作人員在辨別設備時產生困擾


為了解決這些困擾,可以採取以下措施:


1.對藍牙設備進行統一命名和標識


可以根據設備的用途、功能、生產廠商、型號等資訊,對藍牙設備進行統一命名和標識。例如,可以將設備命名為「廠房1-溫控器」、「生產線2-掃描器」、「會議室3-音箱」等。


2.建立藍牙設備管理系統


可以建立藍牙設備管理系統,對藍牙設備進行統一管理。該系統可以提供設備註冊、設備查詢、設備連線、設備管理等功能。


3.採用工業級藍牙設備


工業級藍牙設備通常具有更高的傳輸距離、更強的抗干擾能力、更高的安全性、更低的功耗等優勢,可以有效解決一般消費性藍牙設備存在的困擾。


總之,工作人員在使用藍牙設備時,應該注意設備的名稱、圖示和配對程序,以避免辨識和連接上的困擾。


提供工業級藍牙元件或模組的廠商

許多知名的電子元件製造商都開發了專門用於工業應用的藍牙元件。以下是一些主要的廠商:



圖三 : 主要的電子元件製造商都有提供藍牙單晶片與模組,圖為FEASYCOM的BLE Mesh Network Modules。
圖三 : 主要的電子元件製造商都有提供藍牙單晶片與模組,圖為FEASYCOM的BLE Mesh Network Modules。

1.德州儀器(TI):提供了一系列的工業級藍牙解決方案,包括藍牙模組、藍牙系統單晶片(SoC)和開發套件,支援各種工業應用的開發和集成。


2.挪威微電子:Nordic Semiconductor 的藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy;BLE)解決方案廣泛應用於工業控制、自動化、物聯網等領域。


3.賽普拉斯半導體:Cypress Semiconductor提供了一系列的工業級藍牙模組和SoC,支持藍牙5.0、BLE、Mesh等技術,適用於工業自動化、智能家居、健康護理等應用。


4. Dialog Semiconductor:提供了工業級的藍牙模組和SoC,支持BLE、Mesh等技術,應用於智能家居、工業自動化、健康護理等領域。


5.意法半導體(ST):ST提供了多種工業級的藍牙模組和SoC,包括藍牙5.0、BLE、Mesh等技術,廣泛應用於工業自動化、智能交通、智慧城市等領域。


6.矽寶科技(Silicon Labs):Silicon Labs提供了一系列的工業級藍牙解決方案,包括藍牙模組、SoC和開發套件,支持藍牙5.0、BLE、Mesh等技術,應用於工業自動化、智能家居、智慧城市等領域。


還有其它諸如Broadcom、Qualcomm、NXP等等大廠也都有提供,台灣的廠商主要是提供藍牙模組的應用,例如鴻伸科技專注於藍牙無線通訊產品的研發、製造和行銷,還有環旭電子提供藍牙模組,用於各種應用。當然採用這些元件的裝置就可以在工業環境中安心的應用,但在解決方案或系統規劃方面也可以尋求在工業自動化上的專業廠商來協助,像是菲尼克斯電氣集團(PHOENIX CONTACT)就有提供工業藍牙的方案。


結語

總而言之,藍牙技術在工業自動化生產與管理方面具有顯著的效用,可以幫助企業提高生產效率、降低生產成本、提高產品品質、提高安全性。目前藍牙技術也在推動即時定位系統(RTLS)的發展,所以從裝置連結、資源追蹤到工廠環境導航都是未來可以預期的工業應用。


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