大場域工業物聯網無線傳輸系統

工研院資通所 李曉暉、林旭政、洪毓蔚、黃郁文

工業物聯網技術可帶來龐大效益,而無線傳輸系統的建置更是關鍵。

物聯網(Internet of Things, IoT)的時代來臨,它的影響無遠弗屆,不只在我們的日常生活型態以及各式各樣的商業行為,甚至於上游的工業製造。以往生產製造主要分布在需要大量人力及低人力成本的開發中國家,現在歐美國家看好製造業龐大產值,希望製造業回流,但為了降低人力成本,智慧製造成了解決之道,以此取代傳統大量人工操作生產的模式,這類自動化智慧工廠將世界和工廠連結在一起,讓工廠能快速處理各地需求,以因應市場變化,並滿足少量多樣的彈性化生產、快速換線與混線生產等需求。

德國工業4.0引入虛實整合系統(Cyber Physical System, CPS)概念後,在工業4.0時代下,未來工廠將具有資訊快速交換、人工智慧決策輔助,以及少(無)人操作等特性。工廠端如何快速的反應在虛實整合的未來趨勢中,工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)的運用佔有一定的角色,在工業物聯網所架構的環境中,透過機器與機器(M2M)的通訊,機器可以與其他機器、物件和基礎設施等進行互動和通訊,其結果產生龐大數據,而這些數據經過處理和分析後能運用於工廠管理和控制的最佳化,解決製造業面臨的升級問題,進而推動智慧製造時代的到來。

工業物聯網應用

工業物聯網技術可帶來的效益極為龐大,例如:

  • 生產與設備監控應用:最基本的應用就是生產線設備的監控,利用感測技術可以對生產設備進行生產參數與健康狀態監控,可以即時追蹤生產過程中各個機器設備的使用情況,透過網路傳輸把數據匯整到伺服器進行後續處理,能夠提供遠端即時設備狀態顯示與警示,以及生產線狀態的即時顯示。累積足夠的生產數據之後,還可以分別針對生產線做最佳化調整,針對機器設備可能的故障進行診斷與預測,提高生產線與設備維護的效率,降低生產不良品的風險與設備維護的成本。
  • 環保及能源管理應用:工業生產時會產生各種污染源,可以透過各種感測器的監測,即時將生產過程中產生的各種污染源濃度回饋到回收再處理設備以調控對應的處理,降低污染,不僅符合法規的規範,也可以為下一代保存良好的生活環境。此外,各種能源的使用與耗損都會增加生產的成本,透過產線監控數據可以得知目前機台的生產效率,提供公司管理階層決策是否汰換高耗能的設備,或者調整為合適的能源使用方式。
  • 工業安全應用:工安是現代化工業中不可或缺的一環。工業物聯網技術透過把感測器安裝到危險的作業環境中,可以即時監測作業環境的狀態,做到事先防範意外發生的可能,如:化工業的油氣釋出監測等。
  • 定位應用:定位可應用於人員或物料,在人員定位應用方面,例如在作業人員身上放置感測器,可以隨時知道人員所在位置以及時間,當作業人員在危險的區域工作時,當有意外發生時,能夠掌握黃金時間,即時搶救;或者當人員進出管制區域也可以立即得知,發出警報。在物料定位方面,可以知道目前物料位於那一個製程所在位置及停留時間資訊,可以有效降低產線上的延遲。

而這些應用都是進入工業4.0,甚至是進一步跨入智慧化製造所必須,而工業網路與一般常見的家用網路布建與需求仍有極大差異,將於下一小節論述。

工業用無線通訊技術

有線通訊向來是工廠自動化的常態,但在製造業的高溫、油汙、粉塵的不良環境中,以及動線等限制下都造成有線環境的布建不易,此時無線通訊對智慧工廠來說顯然更具彈性。而在工業、科學和醫學(ISM)領域目前可運用的免執照(Unlicensed band)頻段有2.4 GHz與Sub-GHz兩種。其中2.4 GHz協定已被大量應用於市場中,如無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)和ZigBee。然而,針對現有工廠內的資料傳輸特性而言通常都是輕量資料,但需要跨越大場域的遠距離傳輸,因此Sub-GHz無線網路系統能提供更多的優勢,包括傳輸距離遠、干擾少、功耗低等,雖資料傳輸頻寬則不如 2.4 GHz,但對於工業案場應用而言已然足夠。

此外需注意的是,對於無線通訊而言,全球各地的法規不盡相同,符合法律規範是相當重要的考量,ISM頻段在各國的規定並不一致,例如上述的2.4 GHz全球通用的ISM頻段配置各國即不同。而以Sub-GHz的部份來說,採用433 MHz頻段的無線應用是全球通用的Sub-GHz ISM頻段配置,不過日本是唯一例外的市場。此外,915 MHz被普遍應用於北美和澳洲市場、868 MHz則佈建於歐洲全區、315 MHz適用於北美、亞洲和日本。

表1  世界各地區的Sub-GHz ISM頻段

地區主要頻率主管機關和標準
美國902MHz~928MHzFCC part 15.247
歐洲169MHz與868MHz

ETSI EN 300-220

Wireless M-Bus

日本920MHzARIB T-108
中國大陸470MHz-510MHzSRRC

Sub-GHz無線通訊技術介紹

就無線電波傳遞的物理特性而言,Sub-GHz相較於2.4Ghz頻帶有著更為長遠的傳輸距離。這讓Sub-GHz節點能直接與資料匯集點(Gateway)直接溝通,毋須透過另一個節點的中繼。相同的情形對於傳輸距離短了許多的2.4GHz解決方案來說,中繼節點則是經常需要的。以下說明為何Sub-GHz在大場域工業環境的傳輸效能優於2.4GHz。

第一是當無線電電波在通過牆壁或其他障礙物時,訊號會變弱。衰減率會隨著頻率的升高而增加,因此2.4GHz訊號的衰減速度會快於Sub-GHz訊號。

第二,當反射自高密度的表面時,2.4GHz無線電電波變弱的速度也會快於Sub-GHz。在高度擁擠的環境中,2.4GHz傳輸會快速地衰弱,如此會為訊號品質帶來負面影響。

第三點是即使無線電電波是以直線進行,但是當它們碰到堅硬的邊緣(如建築物的角落)時,還是會彎曲。隨著頻率降低,繞射角會增加,這便讓Sub-GHz訊號得以轉彎遠遠地繞過障礙物,以減輕阻擋效應。
佛利斯方程式(Friis Equation)顯示Sub-GHz無線電傳輸特性的優點所在,根據此方程式(如下),可以了解2.4GHz的路徑損耗為8.5dB,高於900MHz的路徑損耗。

這樣的結果可讓900MHz無線電的傳輸距離增為2.67倍,這是因為功率每增加6dB,則傳輸距離約可增加為兩倍。為達到900MHz無線電所能達到的傳輸距離,2.4GHz解決方案必須額外增加8.5dB以上的功率。

大場域的Sub-GHz無線通訊優勢

Sub-GHz無線通訊能為低傳輸量的感測資料提供極具成本效益的解決方案,在這樣的系統中,具有較長的距離傳輸、較佳的避干擾性,以及較長的電池壽命等特性,是被採用的優先考量。以下分別就這些優勢來說明在工廠中應用的好處:

  • 傳輸距離優勢:窄頻(Narrow-band)的Sub-GHz無線傳輸能讓傳輸距離長達1公里或以上。在一些較大型區域的工業製造環境中,若以2.4 GHz的無線傳輸規劃,就需要透過中繼節點配置來協助資料的轉傳,建置成本相對提高;若是利用Sub-GHz的無線傳輸,感測端點就有機會可以直接連線到閘道器(Gateway),一次就能將資料傳送到資料匯集點。
  • 避干擾:經過各種實際驗證,一般2.4 GHz無線網路設備並不適用於工廠環境,因為工廠的環境通常較為惡劣,例如:金屬遮避、環境噪音或者各種來源的2.4 GHz訊號在空中互相碰撞等,這些因素造成一般無線網路設備不能適用於工廠環境。Sub-GHz ISM頻段大部分用於專用的低工作週期鏈結,彼此之間不太可能產生干擾,因此,資料嘗試重傳次數也能大為減少,傳送效率較高。
  • 功耗低:遠距無線網路傳輸無論是在開發或使用上,供電問題是個考驗,如何有效省電以期能達到長距離以及長時間使用。傳輸電源使用效率和傳輸距離來自於接收器靈敏度加上傳輸頻率的作用,接收器靈敏度和通道頻寬成反比,因此較窄的頻寬可造就更高的接收器靈敏度,能以較低的傳輸頻率進行高效率運作,能耗自然較低。此外,獵能技術逐漸的演進,以微小功率來進行充、發電,可能就足夠維持低功耗無線網路節點的長時間使用。

Sub-GHz的解決方案比較

目前Sub-GHz 的傳輸技術較熱門的有NB-IoT以及Lora 等,針對不同的應用需求,可以選用合適的解決方案。工研院(Industrial Technology Research Institute, ITRI)資通所開發以分時跳頻技術為基礎的無線傳輸技術,除了有2.4 GHz的傳輸頻段之外,也針對大場域的無線傳輸需求,開發Sub-GHz的分時跳頻技術。以下分別簡單說明3種Sub-GHz的解決方案:

  •  LoRa的實體網路傳輸使用線性調頻展頻技術(Chirp Spread Spectrum, CSS),其網路架構是由應用伺服器(Application Server)、網路伺服器(Network Server)、閘道器(Gateway)與終端節點(End Node)組成。如果是建置私有網路則不需應用伺服器與網路伺服器,架構更加簡單。LoRa適合連網頻率低的應用,亦即終端節點大部份時間都是在睡眠狀態,只要定期喚醒發送資訊,如空氣品質、電表、水表等。
  • NB-IoT 的規格係根據(3GPP)Release 13的標準而制定,到了2018年Release 15的NB-IoT版本,預計會有更多細節的技術改善。由於NB-IoT使用的是授權頻段,是專為低功耗、低成本IoT裝置所開發的新式無線標準,能與蜂巢式網路基礎架構共同運作。其具備低功耗、長距離的特性,以及強大的訊號穿透力,能在特定環境中提供其他無線技術沒有的優點。
  • 工研院資通所開發了分時跳頻技術6TiSCH(IPv6 over the Time-Slotted Channel Hopping)應用於工業物聯網,提供了2.4GHz及/Sub-GHz 雙頻帶的無線傳輸技術,資料傳輸可靠度達99.9%,Sub-GHz可基於不同的應用,調整高於100kbps頻寬傳輸能力,而未來導入的獵能技術,更能一次性解決供電的問題。

下表列示工研院資通所開發的無線傳輸技術(ITRI 6TiSCH)與NB-IoT、Lora的比較,各解決方案各有技術的優點所在,但各解決方案無論技術有多強,應用時大都需要考慮其成本,否則它們就不算可行的物聯網解決方案。從表中可以看到,ITRI 6TiSCH 的解決方案提供了相較於LoRa及NB-IoT便宜的價格,對於工業物聯網應用的導入提供了可負擔的網路基礎建設,除了大型製造業智慧工廠的導入可降低成本,也對中小型製造業生產提升到智慧工廠層次帶來契機。

ITRI 6TiSCH 技術的實際開發與應用例

在彈性與網路穩定度兩者兼顧的考量下,工研院資通所開發以 6TiSCH 分時跳頻為基礎,可靠度達99.9%之工業用無線感測網路技術,同時提供2.4 GHz與Sub-GHz無線傳輸頻段,以因應製造業需求。本技術包含三個部份:mote感測節點、網路管理器,以及行動監控平台。以雙頻帶mote為基礎組成感測叢集,網路管理器形成Wi-Fi mesh網路骨幹,行動監控平台Mobile Dashboard提供場域編輯工具與感測網路監控工具。經工廠實地佈建驗證,本系統可支援各種工業通訊,如:Modbus、RS485或OPC UA,可跨越實體阻隔收集機台多樣態感測資料,並可提供跨廠區移動載具之資料收集,已實際於紡織業、塑膠業、輪胎業等多家企業工廠內運作,協助國內企業升級,面對智慧製造時代的挑戰。

在實際的案例應用上,目前主要以廠區腹地廣大以及低佈建密集的場域為主,如在紡織廠、鋼鐵、造船等重工業或化工廠能資源管理管理系統的資訊擷取。此系統的需求與特性跟製程參數擷取系統的不同點在於,能資源設施,如電力站、廢水處理、冰水系統與鍋爐,屬生產支援系統,通常位於廠區的周邊,基礎建置不足,且距離機房遙遠,所以在網路的佈建上,費用會因距離增加而上升。本技術的導入可以有效地減少續傳節點的數目,網路的佈建費用,不會因為距離而增加。目前已實際佈建於南部紡織產業中。

參考文獻

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文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊