工業革命發展至工業4.0 (Industry 4.0),已經不再是單純的將產線進行自動化,而是採用了更多技術,如連接、物聯網(IoT)概念、網路實體系統(Cyber-Physical System;CPS),以及分散決策(decentralized decisions)等。但這樣還不夠,工業4.0不僅是導入新技術提升生產率,更重視工廠作業員的安全,因此,要打造一座符合工業4.0願景的工廠,智慧、效率、連接、安全這些元素皆不可或缺。

意法半導體(STMicroelectronics)工業與功率轉換部門技術行銷工程師Michelangelo Marchese表示,在與許多一線大廠合作的過程中,可以發現業者在實現工業4.0的主要發展方向包括具備分佈式控制的下一等級自動化、更安全的工作環境和新的人機互動模式、更高的工業機械能源效率、擷取和利用製造數據,以及人工智慧(AI)與機器學習。而上述這些發展方向也可進一步歸類為智慧、效率、連接、安全四大工業4.0發展關鍵趨勢。

所謂的智慧,是利用感測器感知工廠內部機器與環境的狀況,再透過各種通訊技術將感測器獲得的資訊向上傳遞至雲端進行分析;而雲端分析結果在透過網路提供管理者回饋後,進一步提升生產效率與工廠安全性。這完整的工業4.0應用架構,也涵蓋了許多核心元件,如微控制器(MCU)、MEMS/感測器、通訊IC、驅動器、安全元件…等等,而為協助客戶建置完整的工業4.0工廠,意法半導體也結合自身豐富的產品線,盡可能解決相關業者在建置時遭遇的困難。

精銳盡出

感測器方面,意法半導體已開始從消費性電子跨足工業市場,而微控制器則是基於Arm Cortex-M系列核心,發展出支援有線與無線通訊的通訊協議(protocol)、馬達驅動、電源管理…等產品線。

Marchese指出,感測器為工業應用中最前端的元件,肩負感測生產機器運作狀況的重要關鍵,但現今工業4.0架構中,感測器、致動器、PLC的輸入/輸出之間的連接尚未有標準的通訊技術,因此意法半導體與相關業者提出IO-Link標準,並以感測器內建IO-link技術的簡單方式,建置每個感測器節點到PLC控制器的通訊問題。

工業4.0除了要提升產線生產效率之外,如何提高生產環境的安全性,也是重要的議題之一。因此意法半導體在工業市場除了上述的產品之外,也有通過IEC 61508安全完整性等級(SIL)2、SIL 3安規認證的STM32微控制器與智慧型功率切換器(intelligent power switch;IPS)產品,協助廠商確保產品的安全性。

Marchese說明,SIL是針對系統安全性所制定的標準,最高等級為SIL 4,有些市場或地區會要求系統業者的產品必須通過SIL認證,而半導體業者通過此安全認證的元件,將可協助業者減少產品過認證所需的時間。

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預測性維護系統架構。
(來源:意法半導體)

完整解決方案構成預測性維護機制

工業4.0架構中,事先知曉並預防生產機器損壞而造成停工損失,也相當重要,而意法半導體完整的解決方案可協助業者建置預測性維護(Predictive Maintenance)系統。意法半導體智慧工業與工廠自動化技術行銷工程師Natale Testa解釋,預測性維護系統是透過感測器擷取到機器的「不正常」數據時,透過通訊技術傳到資料管理中心進行邊緣運算分析,若是機器馬上就會損壞,控制中心會立即發出示警。

另一方面,預測性維護也可將控制中心初步分析的資料傳送到雲端進行更深層的運算,透過人工智慧進行解析與學習,回饋給管理人員進行維修保養的決策,提前將生產機器損壞的可能性降到最低。Testa強調,預測性維護可減少50%的停機時間,同時可減少40%的設備及維護成本。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年5月號