現代工業系統的關鍵零組件是感測器,它將資料提供給控制器、監視器以及其他支援工廠運轉的營運技術(OT)。感測器網路已經使用多年,但網際網路的出現為感測器系統的使用帶來了更多機會與挑戰;隨著感測器成為工業物聯網(IIoT)的一部分,設計商機與挑戰也隨之擴大。

感測器在現代工廠中扮演著各種各樣的角色,除了為製程控制提供資料,還有助於品管、資產追蹤,甚至工安等。強大的雲端分析軟體和人工智慧的出現,也使得感測器資料可以被用來透過製造流程最佳化與預測性維護來降低生產成本。而感測器資料一旦匯入網際網路,就可以用於包括供應鏈管理到生產資源的全球協調等各種用途。

為滿足這些應用的需求,市場上出現了各種各樣的感測器,而且還在不斷推出新版本。照明、溫度、運動、位置、存在(presence)、視覺、壓力、流量和化學成分等等都是最常見的感測器類型(圖1),幾乎每種製程或環境條件都有適合其量測需求的感測器類型。感測器供應商也很多,例如TE Connectivity等擁有廣泛感測器產品陣容的公司,也有像Aceinna只提供特定感測器類型的供應商。

20190201_IIoT_TA31P1

圖1:產業界存在各種需要連接至物聯網的感測器類別(來源:Postscapes)

傳統上,多種感測器所提供的資訊僅用作本地資源,限於單個工廠、甚至是某台機器。然而,低成本廣域網路的出現為感測器資料的取得打開了大門──現在從全球任何地方都可以取得這些資訊,而這種便利性也為充分利用感測器資料和資訊提供了大量選擇,其中一個引起立即關注和廣泛興趣的就是預測性維護(predictive maintenance);執行強大分析演算法的遠端電腦(在雲端某處)可以使用感測器資料,幾乎即時地確定機器的健康狀況,以在設備發生故障之前識別出緊急維修需求。還有許多利用連結個別工業感測器至世界所有資源和利益相關者之能力的其他新應用正在成形。

遺憾的是,要讓感測器連上網際網路並充分利用其資料並不那麼容易,特別是對於較舊的感測器系統。工業感測器利用各種通訊協定將資料傳送給傳統使用者,然而網際網路需要資料符合TCP/IP協定,因此至少需要做協定轉換;可能也會需要一個中樞(hub)或閘道器來整合和集中資料,尤其是在許多感測器需要連網的情況下。此外,資料也必須有目的地,這就需要使用某種雲端服務來儲存資料供日後檢索,並且通常用於執行資料處理。

當然,連結是雙向的,因此將感測器連結至網路,就可以進行遠端配置和控制;還需要確保所發送資料和所接受控制命令的安全。而對感測器的狀態進行認證、配置和監控,是從連結衍生出的額外需求。因此,IIoT工業感測器實際上是複雜的軟硬體組合,橫跨從邊緣設備到雲端服務的多個環節(圖2);如何建立這種組合因情況而異,所幸的是設計工程師可以使用的產品和服務也有很多選擇。

20190201_IIoT_TA31P2

圖2:將感測器系統導入IIoT需要複雜的硬軟體生態系統(來源:Disruptive Technologies)

對於許多開發人員來說,傳統的感測器系統會成為IIoT的候選方案。工業設備通常有數十年的使用壽命,因此有大量的已安裝感測器需要轉換成網際網路連接;開發人員首先可以添加智慧無線模組(例如美國業者Link Labs的模組),這些模組可以利用現有的感測器介面,並提供必要的協議轉換和連結。有多種無線網路可供選擇,包括Wi-Fi、藍牙、LoRaWAN和蜂巢式網路等。然後傳統系統的開發人員需要選擇能夠提供工業服務的雲端服務和分析軟體提供商。

新系統設計也有多種選項,當然其中一個就是仍然使用類似傳統系統的設計方法,即從裸感測器(bare sensor)開始。為保證感測器介面和資料的安全性,必須要添加控制器,並採用無線模組來實現網路連接;而與傳統系統一樣,設計人員也必須選擇雲端服務。

不過開發人員在打造新系統時無需完全從零開始,現在已經出現了幾種平台,允許對相容零組件進行混搭組裝,從而可簡化感測器、控制器和無線模組的組合工作。其中一個例子是由Arm、研華(Advantech)、Bosch Sensortec、Sensirion和TI聯合開發的M2.COM平台,該平台採用標準化的產品外觀和介面,如此開發人員可以從眾多供應商中選擇符合標準的感測器和無線模組,然後輕鬆將它們連結;只要安裝平台的IoT軟體代理程式(software agent),就可以開發他們的應用方案,設計出的感測器模組即可以相容各種雲端平台(圖3)。

20190201_IIoT_TA31P3

圖3:若採用標準化模組(例如M2.COM平台提供的模組),組裝IIoT感測器系統就比較簡單了(來源:M2.COM)

有幾個這樣的雲端平台就是專門為滿足工業感測器需求而打造的,但它們的供應商自己不生產感測器模組;其中包括較小的公司,如德國新創公司Axoom和美國業者Kaa IoT Technologies等,更為成熟的供應商則有PTC的ThingWorx平台,以及GE的IoT軟體和Siemens的Mindsphere平台等。

開發人員還可以選擇不自己開發智慧感測器模組,而是直接從更高層級的功能區塊著手──完全整合的智慧感測器內建控制器和無線功能,可從Disruptive Technologies、Episensor和Zenseio等公司購買。Axzon (原RFMicro)則採用一種不尋常的方法,即在感測器模組中使用RFID,而無需進行無線頻譜管理,但需要使用手持設備進行主動掃描,以便檢索資料並將其發送到網際網路。M2.COM平台創始成員之一研華也藉由其Wzzard系列產品提供完整的智慧感測器模組,包括LoRA和網狀網路(mesh network)方式(圖4)。

20190201_IIoT_TA31P4

圖4:完整的IIoT感測器系統,例如圖中的研華Wzzard系列產品,將感測器、控制器和無線鏈路整合到一個堅固的外殼包裝中(來源:Advantech)

然而所有這些整合式智慧感測器產品都有一個共同之處,即供應商不只是提供智慧連網感測器,還提供閘道器與軟體,以便採用與雲端平台服務商相容的格式,安全地將資料傳送到雲端。如果有一個市面上的現成模組能滿足IIoT感測器系統設計工程師的感測需求,就大大減輕他們的硬體設計工作負擔。

系統整合仍然很重要,因為需要將智慧感測器系統與許多軟體服務結合起來,以確保安全性,並從IIoT感測器系統管理和提取可用的資訊。為了減輕設計工程師的負擔,眾多公司現在都提供從感測器到雲端設備管理和分析服務的完整端對端配套方案;有些是較小的產品如IoTini的 I2OT系列解決方案,主要提供環境感測器以及通用的類比和數位感測器介面;QBurst的感測器則專注於監控(monitor)而非工業控制應用。

從邊緣到雲端的IIoT感測器系統市場也有一些主要供應商,這些公司通常提供各種感測器和配置方案,還支援客製化設計;例如,瑞士跨國大廠ABB透過其ABB Ability平台提供端對端和閉迴路系統;德國Bosch Sensortec提供多種通用感測器模組,並支援M2.COM開發平台。美商Rockwell Automation的Allen-Bradley部門也利用其IO-Link無線技術,提供了通用感測器以及更專業的壓力和影像感測器。

20190201_IIoT_TA31P5

圖5:無論是將傳統感測器系統連上網際網路還是打造新系統,IIoT感測器系統設計工程師都有很多選擇(來源:Versasense)

最後要介紹的是Versasense,該公司的眾多產品包括完整的邊緣到雲端感測器系統,以及閘道器裝置與雲端服務(圖5);該公司還提供可以連結傳統感測器的設備,對它們的協定進行轉換,以便將它們從工廠網路連接到IIoT,然後這些傳統節點就可以利用同屬於Versasense旗下產品的雲端管理和分析服務。

無論如何實現,收集資料並將其傳送至雲端、轉化為資訊與可執行的智慧方案,具備龐大的潛力可以幫助最佳化和降低工業營運成本;開發人員需要從眾多可用選項中找出最適合其特定需求的方案。

(參考原文:Designer’s guide to industrial IoT sensor systems,by Rich Quinnell, editor, Special Projects)