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。

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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。

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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)。

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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。

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