工業自動化和控制 

工業 4.0 正在為製造業進行數位化以及革命當中。透過結合工業 4.0 的模式和先進分析,人工智慧 (AI) 與工業物聯網 (IIoT),我們能為包羅廣泛的工廠作業提供優異速度與精確度,強化生產力和可靠度。

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工業控制系統

工業控制系統 (ICS) 包括監督控制和資料採集 (SCADA) 系統、分散式控制系統 (DCS) 及其他緊湊型控制系統組態,例如可編程邏輯控制器 (PLC)、智慧電子裝置 (IED)、遠端終端機組 (RTU) 及其他實地裝置。ICS 透過持續控制並且監測每一工業製程,加上減少所需人工,能提高效能、安全和可靠度。

簡式控制系統採面板安裝式,部署至小型離散控制器上,允許直視前面板,必要時操作員能手動介入。這些起初為氣動控制器,現已幾乎全部電子化。這類電子控制器的網路是以工業標準協定進行通訊,以建立複雜系統。連網允許使用遠端或本機 SCADA 操作員介面,同時控制器能夠串聯和聯鎖。

DCS 為數位製程控制系統,以客製處理器作為控制器,用標準通訊協定或專屬互相連線進行通訊。此製程包括在集中控制之下將實地連線模組和控制器功能的分散至全系統,提供對大型工業製程進行管理和監督方面的檢視。

SCADA 是一種控制系統架構,使用電腦、圖型式使用者介面 (GUI) 和網路化資料通訊以執行高階監督管理。SCADA 系統可管理負責監測和發出製程命令的操作員介面。網路化模組連接至其他周邊裝置(例如離散 PID 控制器),由可編程邏輯控制器執行邏輯計算和即時控制。這些控制器能與機械建立介面。

PLC 為內有多個輸入和輸出 (I/O) 的緊湊型模組化裝置,與處理器併置於同一外殼內。此系列上達大型機架安裝式模組化裝置,有數千個 I/O 連網至 SCADA 系統。可編程邏輯控制器 (PLC) 在 ICS 之內,可作為實體與網路世界之間有用的橋樑。ICS 和 PLC 扮演著重要角色,成為精湛網路攻擊的兩個目標。這類襲擊旨在中斷其操作,釀成社會不安和財務損失。

在各種 ICS 環境內,數種通訊協定皆有人使用。大多數通訊協定是針對特定用途所設計,例如製程自動化、建築物自動化,和電力系統自動化。ICS 通訊協定一般包含程序現場總線 (PROFIBUS)、建築物自動化和控制網路 (BACnet)、分散式網路通訊協定 (DNP3)、Modbus、開放平台通訊 (OPC)、控制自動化技術用乙太網路 (EtherCAT)、和通用工業通訊協定 (CIP)。

大家目前討論的一切都已網路化。第四次工業革命(工業 4.0)一詞將網路與實體系統縫綴在一起,例如 Internet of Services 和 Internet of things (IoT),已開始與專業代工廠 (OEM)、資產業主和系統整合商日漸契合。近期的未來將可見證一批 ICS 資訊經由廣域網路分送至各企業精湛的應用項目,模糊的保全措施再也無法給予有效的保護。ICS 連線到網際網路以用於例如智慧電網和智慧程式等專案,遭到惡意份子染指的風險也更為放大。

輸入/輸出介面

輸入/輸出或 I/O 介面是中央處理裝置 (例如 PLC) 和輸入與輸出裝置之間的互動橋樑。所謂輸入是處理系統從數位輸入裝置,例如開關、繼電器或接觸器所收到的訊號或數據;類比輸入則來自於顯示溫度、壓力等具體參數的各種感測器。所謂輸出是從處理系統傳送到數位輸出裝置,例如指示器、顯示燈、警報、繼電器或接觸器;以及傳送到類比輸出裝置,例如馬達、閥門與比例控制器的訊號或數據。

每個 I/O 模組可含有多達 32 個通道,採特定電壓和電流屬性的額定值,可為機架式、分散式或獨立式,或可擴充。傳統式螺絲夾式端子組成佈線連接,不過許多使用者現已改用彈簧夾式端子,享受耐振且佈線更簡易的便利。

部分 I/O 模組隨附專門功能,包括頻率變率 (Hz)、電阻 (ohm) 或電壓 (mV)。積體電路溫度偵測器 (ICTD)、熱電偶 (TC) 和電阻溫度偵測器 (RTD) 因經常需提供高輸入密度,為專門的人工智慧 (AI) 型。所有通道在一個模組,通常其基本型式相仿,然而部分較新的系統可混用所有四種基本類型的模組,適用離散輸入與離散輸出。

部分 I/O 系統供應商提供多功能 I/O 模組,可接收對應端子點上的相關訊號,並利用軟體為主的組態,以分別建立特定屬性。

現代 I/O 系統使用開放乙太網路通訊協定。其中少數 I/O 系統能利用商用乙太網路供電 (PoE) 技術操作遠端 I/O 甚至電力迴路。鑑於調節 I/O 模組以監測或控制系統通訊連結相當的重要,I/O 系統特別具備軟體式組態。偶爾需要通訊配接器,以驗證 I/O 模組能與監督系統交談。

因為標準乙太網路能用來為現代 I/O 系統聯網,不限於主從通訊,所以有新的可能架構存在,可銜接傳統佈線與智慧無線之間和 I/O IIoT 之間的差距。這些系統能將 I/O 控制與內嵌 IT 技術配對以將遠端從屬機轉換為分散式資料節點。甚至在智慧實地設備和 IIoT 裝置幾乎無所不在的情形下,仍持續需要新和舊式安裝設備,以監督和命令傳統佈線的 I/O 點。在早期系統中,會連接到控制器主控的 I/O 系統。較新的 I/O 系統提供彈性功能,更加易於設計、安裝和維護,能節省時間與金錢。

最新世代的 I/O 系統突破上限,經由乙太網路連線提供與對等、其他裝置和軟體系統的更強連線能力,不受單一主機的束縛。此新型 I/O 能建立具有全 IIoT 功能的自動化系統。

連線能力

工業連線能力對無縫裝置整合而言非常重要。工業自動化和控制高度倚賴纜線和連接器以在廠房、雲端和 IT 內的工業機械之間傳輸資料、電力和命令。工業環境要求堅固、耐用且高效能連線能力的設計需求。必須耐油、耐高溫度,且在牽鏈內運作無誤。

佈線在工業自動化是為基礎。工業控制環境內的通訊協定佈線帶有特定需求。電氣機櫃需要用到工業連接器、電子線、DIN 軌、接線端子和理線架。感測器和電螺管需要 M8、方形或 M12 DIN 組件,以及分發中心。因乙太網路通訊逐漸風行,廠房有越來越多 RJ45 和 M12-8 組件出現。就連無線應用也需要電線以止停。

典型的纜線有導體、遮蔽層、絕緣體和外層被覆體。非屏蔽雙絞纜線 (UTP) 和屏蔽雙絞纜線 (STP) 是工業環境主要的兩種纜線。屏蔽纜線能順暢地傳輸訊號,因有屏蔽保護纜線不受外界無線電和電頻干擾,但比非屏蔽纜線成本高。

熱收縮管可保護纜線抵抗化學品和各種氣候條件。此項多功能產品也適合色彩編碼、減輕張力和綑紮。並可見到使用於 Breakout 的張力減輕、連接器至纜線過渡,和後端連接器密封。熱收縮也用作綑紮鬆散電線或纜線的保護元素。

工業連接器是多項應用的重要元件,包括廠房環境、機械、採礦、地球物理探索、發電/分送、農耕設備等。重型連接器是可配置的多用途解決方案。可提供最大 IP 69k 級保護、216 個觸點,適合於嚴酷環境使用。電流額定值範圍是 10 A 到 200 A。M8/M12 連接器 系統具備周全的連接器、IO 模組和纜線組件。

模組化建構的重型連接器 (HDC) 產品系列具高可配置力且又強固,是機器人與和自動化應用的理想選擇。如此的組合,能與既有介面技術相互力量結合。護罩與外殼提供垂直和直角纜線朝向和 IP65 至 IP69k 等級。

通訊

工業通訊系統是一切自動化系統架構的骨幹。能提供強固的程序,能在重要安裝設備中的嚴格環境內進行資料交換、發揮彈性和資料管控能力,以連接眾多裝置、管理資料完整性和即時控制。於是在工業連網帶動之下,數位控制器、眾多與自動化相關的軟體工具、實地裝置以及外部系統等皆實作豐富的通訊通訊協定。

通訊協定可描述裝置之間互換訊息所需的數位訊息規則和格式。通訊協定是使用無線或有線通訊頻道所執行,是一切複合自動化系統所不可或缺。現代的自動化系統大多使用具有各種不同通訊協定的數位共享通訊網路,例如 RS-485、PROFIBUS、EtherCAT PROFINET、CAN 控制、乙太網路/IP、PowerLink、PROFINET、Modbus、Modbus™ TCP/IP 等。

感測器、各種控制器 (PLC、HMI、DCS) 和制動器是工業自動化之中最低的實地裝置。感測器能傳輸診斷資訊,控制器可運算此等條件性控制訊號並且傳輸到制動器。工業控制器如 PLC、電腦系統和分散式控制機組構成控制層級,並且管理諸多任務,例如配置自動化裝置、載入所有製程變數資料和程式資料、監督控制、調整已設定變數,以及歷史封存。

乙太網路是以主從架構為基礎的一種連網技術。有線網路是安裝在建築物內的區域網路。以工業乙太網路與 TCP/IP 通訊協定構成的控制層級網路可將控制機組與電腦連結。

區域網路 (LAN) 作為通訊網路時的用途寬廣,能實現所需特性。乙太網路資料連結網路內的層級。其功能類似實體層,能指定連接器類型、電氣訊號和訊號發送速度。

乙太網路廣域網路 (WAN) 經常用於廠房規劃和管理資訊的交換。乙太網路 WAN 以工業閘道器作為資訊層級網路運用。無線通訊技術適合用於彈性且高效的自動化解決方案,可避開佈設纜線的缺點與相關硬式有線連接。可基於傳送點與接收點相互的間隔,考慮多種通訊方式。例如,GSM 或 CDMA 是較長距離的選擇,藍牙、無線 HART Zigbee 和 Wi-Fi 適合較短距離使用。Wi-Fi 提供高頻寬,能輕鬆與網際網路通訊協定 (IP) 網路整合。藍牙能滿足廣闊的流通量和耗電需求。藍牙低功耗技術也可實現耐用的電池供電信號燈(可運作數月至一年)室內定位功能。

5G 網路是工業自動化基礎設施的關鍵資產,其中期待製造業往分散式生產組織演進,包括商品連線 (產品具有通訊能力)、低耗電製程、協同機器人和整合製造邏輯。最終使用者實體組成的系統常駐在網路化結構尖端,使用以 5G 網路達成的端至端通訊服務。如此的網路可在垂直結構的內部與彼此之間進行水平通訊。

電源供應器

工業電源供應器網路能提供高可用度、特定限度內的固定 24V DC 供應電壓。輸出電壓是從不同的供應來源產生 (包括 AC 與 DC 網路、最高 500V AC 的 1 相與 3 相供應)。

操作工業機械需要各種電源,一般用於將高壓 AC 電轉換為低壓 DC 電,以供電給可編程邏輯控制器、I/O 和 HMI 裝置。商業應用和工業用途所用供電之間的差異繫於 Class 1 Div 2 任務關鍵應用 (可能是有爆炸之虞的環境) 生產場所,甚至在極端溫度,範圍從 - 40°C 到 + 70°C。

開關模式電源供應器 (SMPS) 和線性電源供應器是控制經調整 DC 電源供應器兩種主要方式。高效率、緊湊且質輕的 SMPS 特色包括尺寸較小和透過整合 ORing MOSFET 執行直接平行連線。能利用半導體的高速切換,將輸入的 AC 電轉成高頻電力。SMPS 提供升級功能,可增進機器的可靠度、電氣安全和元件與輔助系統的平行備援。除了這些因素之外,工業電源供應器能符合智慧工廠和工業 4.0 計劃內,正在不斷演進的工業數位化基礎設施未來所需的功能。

AC 轉 DC 電源供應器和 DC 轉 DC 轉換器備有多種形式,有各種尺寸、容量和形狀等諸多特性。最終應用可能需要 AC/DC 和 DC/DC 或非隔離負載點轉換器的組合,以支持不同的電源供應、電力系統和子系統的隔離需求,例如控制電子、電池充電和通訊埠。

AC 電源供應器和 DC/DC 轉換器可整合至開放框架、PCB 貼裝、底盤安裝、基版冷卻或封閉形式的最終設備,亦可針對特定應用加以工程設計。開發項目例如 ZVS(零電壓開關)和 ZCS(零電流開關)諧振拓樸和同步整流法可減少散熱,提高轉換效率。

選擇電源供應器時必須考量許多因素,例如尺寸需求、整合過電流、短路、過溫保護和危險環境下操作的功率因數校正。工業電源連接器能在嚴酷的極端環境為設備提供安全可靠的電力。備有符合 UL、CSA 和 VDE 標準或 EN 標準的各種電源供應器型號。

安全與保護

電路保護是任何工業安裝的重要環節。符合國家法規,保護設備、製程與人員,避免會造成損壞及安全問題的任何過度能量,是非常重要的。

可靠的保護裝置能維持和監測系統的環境,而不影響正常功能。整合保護電路可成為強固、易實作和高效能解決方案,萬一發生危險事件時能迅速因應。這類電路緊湊又省電,可確保更長時期地穩定操作,是工業應用的寶貴元件。

過電流或任何異常情況都可能相當嚴重。後果包括導體絕緣故障、設備損害、起火、人身傷害、嚴重電擊和財產損失。一件設備在高過全負載額定值之下操作、或是導體在超額安培容量之下操作,會承受過載情況。持續過載可造成導體與電路負載蓄積危險的高熱條件。會使用斷路器,為這類危險條件提供保障。

短路是指過一種電流的情形,其中電流超過電路的滿載電流額定值,並在相當短的時期內發生。這類的故障情形是電流偏離流通路線的後果。

保險絲是在電氣或電子電路中刻意設下的弱環節。這種對電流敏感的裝置可針對發生過電流或過載情形的電流提供可靠的保護。正常情況下流入保險絲元件內部的電流,強度小於或等於額定電流。在任何故障情況下,流經保險絲元件的電流會迅速攀升,形成開路。

正溫度係數 (PTC) 的過電流保護裝置遇到溫度升高能迅速反應。正常情況下的電阻甚微,因此對電路僅有些許影響。PTC 裝置在過電流的情況下,會從一般的低電阻狀態切換為高電阻狀態,不過到了過電流後狀態,裝置會「重設」為正常的低電阻狀態。

突波是電氣裝置故障的一大原因。瞬時突波是指電流急遽攀升。瞬時突波有許多起因,以出於內部最為常見,例如負載切換,甚至是在正常設備操作時。突波保護裝置 (SPD) 平行佈線至所保護的設備,以便電壓激升時能在幾奈秒內降低抗阻,達到支開脈衝電流的效果。

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