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工業自動化不受「線」

在全力衝刺物物相連的互聯網未來之前,「有線」或「無線」傳輸是個既迫切也實際的待解問題。雖然現今的工業場景中,仍有為數眾多的有線應用,但無線技術的佈線靈活性與低成本、以及移動作業與電子資料即時更新帶來的工作效率提升等優勢,讓「無線自動化」成為下一代技術開發的重點。 

在全力衝刺物物相連的互聯網未來之前,「有線」或「無線」傳輸是個既迫切也實際的待解問題。雖然市場上已有不少無線解決方案,多數工業廠區仍維持有線的類比傳輸。然而,當需要傳輸的數據量遽增,需要互聯的設備翻倍,有線還是個好選擇嗎? 

何不試試無線?

1970年代起,全球工廠透過各種工業通訊協定,即俗稱的現場總線(fieldbuses),與大規模生產設備對接,架構出具階層性的分散式控制系統,實現工廠自動化。但現場總線的發展呈百家爭鳴之姿,無統一標準,且在簡易可靠的佈署、應用、維護、錯誤診斷等功能表現上,仍有努力空間。使得至今許多廠區中,仍可見以4.20mA類比訊號進行數據溝通的自動化設備。既然如此,何不試試無線通訊技術去規避有線網路的劣勢,相互截長補短。例如降低線路佈署成本、降低為預防電磁干擾的屏蔽與接地設計成本、提高廠房佈設彈性等。

解析無「線」挑戰

從有線走向無線,「展現相同水平的性能可靠度」是最根本的前提要求。不可諱言,這樣的轉變富含挑戰。為此,ABB技術團隊展開專案研究,初步列出四大效能提升方向。

及時性(Timeliness) 

要實現大規模的工業製程控制,現行的無線通訊標準需在及時性上有更佳的效能表現。以手機螢幕刷新為例,消費者習以為常的延遲(latency),便足以造成工業廠房龐大的營運損失。通常關鍵設備需滿足以毫秒為運作週期的封閉迴路控制需求。 

可視性(Visibility) 

現行的無線儀錶中,常內建有因應額外不確定因素與延遲所設計的補償演算法,但往往容易被操作人員所忽略,而造成控制上的風險。因此佈建資料屬性識別機制,以避免採用錯誤的控制邏輯,在無線通訊標準的設計上,至關重要。 

響應性(Responsiveness) 

響應性是四大性能提升重點中,最需要加強的。無線通訊標準應能確實支援致動器(actuator)與安全模式(failsafe state)下的系統運作。此外,無線通訊標準也應具備自我恢復的能力。當連線中斷時,能在啟動關鍵控制應用所需的時限內重新連結。 

分界(Delineation) 

無線通訊標準要能有效辨識即時數據(real-time data)與盡力式數據(best-effort data)。裝置的組態數據要先進行端對端確認(end to end acknowledge),即時數據才能為控制系統所採用,否則將無法確認數據的正確性與可靠度。另外,控制迴路中的即時數據也可能因與盡力式數據一併佇列(queued)而過期。 

從理論到實測

基於前述分析,ABB技術團隊選擇在IEEE 802.15.4通訊標準上改良堆疊層(stack layer),以改善目前缺失。憑藉著在實驗室中的絕佳成果,ABB技術團隊走入現場,與全球知名紙板製造商Iggesund Paperboard合作,在其瑞典廠區進行實測。 

該廠位於斯德哥爾摩北方約300公里處,1916年啟用至今,堪稱全球最先進的複合式製漿及造紙廠。此次實測歷時六週多,在操作人員不知情的情況下,測試溫度、流量與壓力等三組控制迴路,以分析有線與無線通訊的效能差異。實測期間,三組儀錶透過Profinet閘道器連接ABB分散式控制系統800xA,控制器AC800M以250ms的週期運行。 

實測結果顯示,壓力與流量控制迴路在無線環境下依然穩定,並能迅速響應批次製程中的干擾。而紙業製程中,需將高溫蒸氣注入鍋爐,使其從安全性觀點來看最具挑戰,但從控制觀點來說,溫度控制迴路卻是難度最低,因此無線測試同樣順利過關。此外,無線環境下的封包延遲極短,且變動小。而在實測期間,只發生過一次隨機的封包遺失;在八小時的連續測量中,發生三次即時封包遺失,與有線環境相比,相差無幾。最後一項可行性評估是操作人員的實際感受,在面對面會談中,受訪人員表示察覺不出有線與無線通訊的效能落差,而實測期間的最終產品在品質上也維持一致。 

引領無線自動化

雖然此次可行性研究的實測時間與範圍都屬於小規模驗證,但評估結果卻令ABB技術團隊相當欣喜。該報告指出,搭配設計完善的無線通訊協定堆疊(wireless protocol stack),便可能透過標準的IEEE 802.15.4收發器,實現廠房內部分流程的無線自動化控制。此外,也驗證了無線通訊可達到與PROFIBUS等現場總線同等級的效能表現。ABB也將持續努力,引領無線自動化技術發展。 
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