科技和工業的發展,不斷將人類進步推向新的高度。技術發展歷史上的巨大飛躍(或里程碑)稱之為工業革命。現在,我們已經邁入一個新階段:工業4.0。第二次和第三次工業革命分別帶來蒸汽動力和水力發電、大規模電氣化生產以及電腦技術,第四次革命的重點則轉向了數位自動化工廠。

企業全面廣泛運用數位自動化技術,透過自動控制提高效率,不僅可實現預測性維護,還可以提高產量和供貨效率。透過完全連網的操作,可以更良好地規劃供應路線,降低倉儲成本,確保提高利用率。

在需求不斷上升的工業4.0時代,機器停機的代價非常高昂。連網控制工廠有利於規劃,從而有助於預防生產中斷。工業4.0的基礎是可靠的通訊基礎設施。決策者透過基礎設施從機器、工廠和現場設備中擷取數據。正如工業4.0工作小組的最終版報告所指出,網路化是「現實世界和虛擬世界以資訊-實體系統的形式融合」,並且「可靠、全面、高品質的通訊網路是工業4.0的關鍵要求」。

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無線連接大量充斥工業4.0應用場景

工業4.0時代更依賴可靠的無線連接

我們面對的新一代工業革命是感測網路、通訊和大數據處理等這些被視為工業4.0基石的關鍵技術的融合,從工廠生產到客戶使用產品,透過增加嵌入式系統的連接性,並即時擷取數據,利用這些數據不僅可以最佳化製造流程,而且有助於進行更優質的業務決策,開闢新業務領域。

當前的Sub-1GHz無線連接技術已經實現了自動化計量和遠端感測技術,如結構監控。通常由電池供電的無線設備使用感測器來測量和量化現實世界,並將這些數據發送到集中器或閘道器,並由此發送到雲端進行整合和處理。無線解決方案正步入工廠自動化領域,預計無線設備的出貨量將不斷增加以滿足市政工程、農業和環境以及能源生產與分配的需求。

工程師在設計無線系統時需要考慮很多因素。每個工程師都會利用弗里斯傳輸方程式(Friis Free-Space Equation),透過改變一些參數來增加傳輸距離,例如提高發射功率或接收靈敏度,或同時提高這兩參數。然而,法規限定了最大發射功率,而且高功率天線和外部LNA等組件可能會大幅增加系統成本。因此,在選擇無線接收器時,工程師首先需要關注的是接收靈敏度。然而,靈敏度本身並不能說明整個情況。

對於工業生態系統內的連接來說,可靠的無線連接至關重要。在日益惡劣的RF環境中保持可靠通訊將是一個挑戰,尤其是在工業領域中。在ISM無線電頻段已經中部署了數以億計的主動裝置,這些無線電必須面對多個潛在的干擾源,從被動RF輻射器到可能工作於相同頻段的其它主動RF裝置,通常都使用專有協議。干擾會嚴重降低通訊範圍。更大、更密集的網路也意味著更多的近距離節點傳輸,因此需要更好的接收性能。迫切需要更強的抗干擾能力。它可以減少所需的中繼器節點數量並使每個閘道器可支援更多端點。這使得網路覆蓋更可靠且盲點更少。借助可靠的無線電連接,數據封包的丟失更少,從而可減少數據封包的重新傳輸量並提高系統整體效率。

從組網技術端解決可靠性問題

ADI成功收購凌力爾特(Linear Technology)後取得了SmartMesh無線網路技術,它是基於標準的無線感測器網路(WSN),並可在嚴苛的RF環境中實現>99.999%的數據安全性,能夠多年可靠地傳輸關鍵感測器和控制數據而不需要干預。

例如,在該公司位於矽谷的半導體晶圓工廠中,ADI使用SmartMesh IP無線感測器網路簡化製造操作——透過SmartMesh IP無線網狀網路以監控氣瓶的液位及其使用情況,並將即時讀數中繼至工廠管理軟體,以便主動安排補充並確保不間斷供應。利用此數據快速準確地估計氣體使用量,不僅確保及時補充,還能減少停機時間和氣體浪費。

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以無線方式監視機場加油系統,使維護團隊能夠辨識並消除潛在的災難性油泵

SmartMesh無線感測器網路得以廣泛用於工業環境的關鍵在於運用時間同步化網格協議以提供網路靈活性、可靠性和可擴展性,即使在最嚴苛的環境中也不失穩定性。此外,它還支援自動形成和易於擴展的大型、密集、多跳網格網路,提供安全管理、用於最佳化感測器佈局的詳細網路統計數據、確定性的節點電源管理,並可憑藉內建的網路狀態監控功能實施動態的網路最佳化;易於部署和配置簡單;低功耗,單顆電池可以實現數年持續供電。

從無線訊號端解決可靠性問題

對於無線電接收器來說,RF選擇性是指將期望訊號源與其他通道中傳輸的干擾訊號源區分開來的能力。獲得良好的阻塞和選擇性參數對接收器來說非常關鍵,而影響這兩者的一個要素是降低RF系統中的相位雜訊。相位雜訊是訊號中的短期相位波動引起的雜訊,它可以看作是從頻域中的目標訊號擴散出來的邊頻。相位雜訊通常相對於載波測量,以dBc/Hz為單位,定義為在間隔載波的某一給定偏移頻率處1Hz頻寬內的雜訊功率。

接收器的前端線性度會影響對附近高功率干擾訊號的抗干擾能力。對於低於1 GHz的無線電網路,這類干擾訊號可能是LTE。我們透過輸入三階交調截點(IIP3)來測量接收器的線性度。透過在接收鏈中插入兩個訊號音頻,並測量以輸入音頻的三倍頻率間隔出現的三階交調產物來實現。

諸如ADI兩年前推出的新型收發器ADF7030-1能夠實現工業應用的更加可靠的無線連接,減少重試次數和數據封包丟失,還能延長電池壽命,從而適於可靠連接。ADF7030-1是一款Sub-GHz完全整合式無線電收發器,適用於ISM、SRD以及169.4 MHz至169.6 MHz、426 MHz至470 MHz和863 MHz至960 MHz等授權頻段範圍的應用。支援IEEE802.15.4g等基於標準的協議,同時還靈活地支援眾多專有協議。高度可配置的低中頻(IF)接收器支持2.6kHz至738kHz範圍的各種接收器通道頻寬。

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ADF7030-1 ACR與競爭產品比較

總結

工業4.0對於設計工程師帶來了挑戰,他們必須開發確實可行的解決方案以實現新一代互連智慧設備的可靠連接。確保強固、可靠的通訊是推動互連世界發展以滿足物聯網和工業4.0構想服務需求的關鍵,而新一代的創新網路連接解決方案和高性能低功耗類比前端晶片技術,則將是滿足高可靠無線通訊的重要保障。