【導(dǎo)讀】將物聯(lián)網(wǎng)功能應(yīng)用于晶圓廠，使用震動傳感器、無線收發(fā)器和無線組網(wǎng)協(xié)議棧，可提高生產(chǎn)工廠的事故預(yù)測性，管理人員甚至可以在家里收到通知，了解一些問題并制定相應(yīng)的計劃。
幾年前，ADI將該公司位于Limerick的晶圓廠增加了物聯(lián)網(wǎng)功能——運(yùn)用ADI的機(jī)器健康平臺，其中包括震動傳感器、無線收發(fā)器和無線組網(wǎng)協(xié)議棧，使用傳感器和傳感器數(shù)據(jù)提高生產(chǎn)工廠的事故預(yù)測性，管理人員甚至可以在家里收到通知，以及了解一些問題并制定相應(yīng)的計劃。
但其中的無線組網(wǎng)技術(shù)并沒有公布具體的方案細(xì)節(jié)。近日，該公司再次公開宣布多起重要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的成功案例，其中工業(yè)領(lǐng)域攻城略地收獲頗豐，這些應(yīng)用均基于該公司的SmartMesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。整理這些成功案例，我們可以看到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢，以及此類應(yīng)用中未來的發(fā)展趨勢。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何簡化半導(dǎo)體制造？
這一次，ADI將其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)再次應(yīng)用到自己的晶圓廠。在ADI公司硅谷晶圓廠的晶圓片制造過程中，使用了超過175個特種氣體鋼瓶，如何密切地監(jiān)測這些氣體鋼瓶以確保不間斷的氣體供應(yīng)很重要，任何一次意外的供氣中斷都將導(dǎo)致價值數(shù)十萬美元的晶圓報廢、收入損失和在產(chǎn)品發(fā)運(yùn)給客戶的過程中出現(xiàn)不可接受的延誤。為避免停機(jī)，工程師一天三次以手動方式記錄晶圓廠中每個氣體鋼瓶的壓力。該手工過程容易出現(xiàn)人為錯誤，而且維護(hù)成本高昂。
部署一個含有32個節(jié)點(diǎn)的SmartMesh IPM無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測中氣體燃料倉的氣體壓力。每個節(jié)點(diǎn)由一對AAL91鋰電池供電(電池壽命約為8 年)，因此安裝該網(wǎng)絡(luò)不需要進(jìn)行額外的布線，也沒有不必要的停機(jī)。盡管面對著晶圓廠中的混凝土構(gòu)造物和普遍存在的金屬結(jié)構(gòu)，SmartMesh網(wǎng)絡(luò)仍然能正常工作。
在氣體燃料倉中，測量每個鋼瓶的罐體壓力和調(diào)節(jié)壓力，并通過SmartMesh網(wǎng)絡(luò)把這些讀數(shù)傳送至一個中央監(jiān)測系統(tǒng)。每個SmartMesh 節(jié)點(diǎn)連接至一對鋼瓶，并通過無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送至一個復(fù)蓋整幢建筑物的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。在控制室里，晶圓廠的站點(diǎn)管理軟件工具顯示實(shí)時讀數(shù)并自動地計算運(yùn)行率，以建立針對鋼瓶更換的常規(guī)時間表。此外，還設(shè)定了低壓力門限，以在鋼瓶早于更換時間表的進(jìn)度安排前已達(dá)到低壓水平的情況下，向設(shè)備技術(shù)人員發(fā)出警示。警示信息顯示在控制室監(jiān)視器上，并以“全天整周”的方式通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞消息。
通過使用實(shí)時氣體消耗率，技術(shù)人員能夠精準(zhǔn)地預(yù)測氣體鋼瓶什么時候?qū)⑿枰桓鼡Q，從而減少了由于過早更換鋼瓶所導(dǎo)致的未用氣體白白浪費(fèi)。在日常運(yùn)營中其好處還可擴(kuò)展到提升效率的范圍以外。通過集中收集氣體使用數(shù)據(jù)并使工廠管理層容易獲得數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可提供趨勢分析，通過使讀數(shù)與特定的半導(dǎo)體晶圓工藝和幾何尺寸相關(guān)聯(lián)，可進(jìn)一步確定以簡化工廠運(yùn)營。這有助于在需求量攀升時優(yōu)化晶圓廠的產(chǎn)能增長。
機(jī)場燃油庫如何實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測？
燃油費(fèi)用在航空公司運(yùn)營支出中占比高達(dá)30%。這使得在大型機(jī)場有效管理和高效分配燃油供應(yīng)成為了航空業(yè)的頭等大事。過去幾年在美國大型國內(nèi)機(jī)場發(fā)生的幾次事故突出顯示了緊密監(jiān)視和正確維護(hù)油庫設(shè)備的重要性。在第一次事故中，火災(zāi)損壞了10多個油泵，導(dǎo)致15%離港航班延誤或取消。此外，在火災(zāi)后離港的航班中，75%必須安排在另一個機(jī)場降落加油。就事故機(jī)場而言，這意味著需要運(yùn)送燃油、建立臨時燃油系統(tǒng)、以及更換受損設(shè)備，因此增加了運(yùn)營費(fèi)用。在第二次事故中，由于燃油泄漏而導(dǎo)致了一場持續(xù)的設(shè)備火災(zāi)，損壞了該停機(jī)坪的所有14個油泵和過濾器。燃油儲備量降低了50%，這對一個每天平均消耗160萬至200萬加侖的機(jī)場而言是個嚴(yán)重問題。
以無線方式監(jiān)視機(jī)場加油系統(tǒng)，使維護(hù)團(tuán)隊(duì)能夠識別并消除潛在的災(zāi)難性油泵。
然而，管理機(jī)場的油庫是一項(xiàng)令人望而卻步的任務(wù)。管理過程涉及將燃油運(yùn)輸?shù)綑C(jī)場、把燃油存儲到油罐中、以及從油罐向飛機(jī)提供干凈且符合規(guī)格的燃油。油庫的機(jī)械設(shè)備需要始終保持在線，以確保安全和高效地為飛機(jī)提供服務(wù)。即使輕微的故障也有可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，影響飛機(jī)準(zhǔn)時離港以及其他對航空公司運(yùn)營而言至關(guān)重要的關(guān)鍵衡量指標(biāo)。例如油泵故障和燃油泄漏等嚴(yán)重危及人員安全并導(dǎo)致?lián)p失的事故，這有可能導(dǎo)致必須關(guān)閉機(jī)場設(shè)施，并對環(huán)境造成負(fù)面影響。
這兩次事故的根本原因都可歸結(jié)為由于油泵設(shè)備老化引起機(jī)械故障。隨著時間推移，油泵的疲勞、振動和摩擦將油泵的溫度提高到了危險水平，導(dǎo)致高風(fēng)險的火花和燃油點(diǎn)燃現(xiàn)象。航空業(yè)預(yù)測機(jī)械故障的方法是測量油泵的振動和溫度。然而，安裝成本和必須采用導(dǎo)線使得傳統(tǒng)的有線傳感器無法得到廣泛采用。
TDGTechnologies公司是一家專注于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的方案提供商，該公司開發(fā)了“SmartHAWK”無線振動與溫度傳感器，用于機(jī)場油庫等至關(guān)重要和危險的場所。該無線解決方案采用長壽命鋰電池供電，能夠在由金屬和其他挑戰(zhàn)性結(jié)構(gòu)配置組成的嚴(yán)酷環(huán)境中可靠運(yùn)行，通過測量機(jī)器溫度(表示機(jī)械裁荷)和沿3個獨(dú)立軸(軸向、徑向和切向)的振動，單個電感器可全面測量一個油泵的機(jī)械劣化情況。
由于無線通信網(wǎng)絡(luò)必須無瑕疵和無需干預(yù)地運(yùn)行，所以TDGTechnologies采用了SmartMesh嵌入式無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，能在嚴(yán)酷的工業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)其高度可靠低功率運(yùn)行。smartMesh技術(shù)使SmartHAWK無線振動和溫度傳感器能夠非常方便地安裝和操作，SmartHAWK發(fā)出的警報可以立即傳遞到任何移動設(shè)備，以加速資源部署，采取先發(fā)制人的措施，實(shí)現(xiàn)最佳機(jī)器維護(hù)效果。此外，SmartHAWK針對油泵等旋轉(zhuǎn)型設(shè)備為技術(shù)人員和設(shè)備操作人員提供實(shí)時和量化的健康狀態(tài)信息，具經(jīng)濟(jì)效益地監(jiān)視設(shè)備健康趨勢，使技術(shù)人員能夠決定是否安排或推遲預(yù)防性維護(hù)工作。
SmartHAWK無線振動和溫度傳感器在一個機(jī)場油庫中監(jiān)視油泵振動和溫度。
在過去的三年時間內(nèi)，TDGTechnologies已經(jīng)在美國西南部的幾個機(jī)場油庫部署了SmartHAWK無線傳感器系統(tǒng)。每個地點(diǎn)的機(jī)場技術(shù)人員都建立了實(shí)時警報門限，以盡早指出關(guān)鍵油泵系統(tǒng)超出規(guī)格運(yùn)行的情況。迄今為止，SmartHAWK監(jiān)視的任何機(jī)場設(shè)備都未發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備故障。
為了簡化日常操作，機(jī)場設(shè)備管理人員正在利用實(shí)時數(shù)據(jù)記錄機(jī)器的監(jiān)視基線、評估設(shè)備性能并主動地安排設(shè)備維護(hù)工作，以減輕機(jī)器故障，優(yōu)化運(yùn)營效率。在現(xiàn)已就位的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，設(shè)備管理人員計劃增加更多傳感器，以完成油泵健康狀況監(jiān)視以外的工作，例如實(shí)時查看接收燃油的質(zhì)量以及測量壓力、熱電偶、應(yīng)變計和更換換能器，以監(jiān)視燃油在油泵和油庫中的流動情況。
SmartHAWK無線監(jiān)視解決方案正在幫助機(jī)場設(shè)備管理團(tuán)隊(duì)主動維護(hù)關(guān)鍵加油系統(tǒng)，使系統(tǒng)很好地位于正常運(yùn)行規(guī)格之內(nèi)，避免機(jī)械火花和燃油點(diǎn)燃情況。此外，通過實(shí)現(xiàn)更加以數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的決策過程，SmartHAWK系統(tǒng)可幫助提高效率和降低運(yùn)營成本。使用SmartMeshIP無線通信技術(shù)使SmartHAWK傳感器能夠在油庫中的金屬和混凝土之間可靠通信，并作為網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，用于未來增加運(yùn)營監(jiān)視功能。
可靠性、部署便利性與低功耗是致勝工業(yè)無線傳感的關(guān)鍵
安全可靠性是所有工業(yè)應(yīng)用的首要要求。在傳統(tǒng)的無線組網(wǎng)方案里可能使用公共的無線網(wǎng)絡(luò)比如4G網(wǎng)絡(luò)往上傳，導(dǎo)致可能需要一些基站信號比較高的成本，包括流量成本?；蛘哌x別的專用網(wǎng)絡(luò)比如ZigBee，但是其實(shí)ZigBee也好，其他的網(wǎng)絡(luò)也好，可靠性都不是很高，因?yàn)?9.999%的可靠性傳統(tǒng)無線方案非常難實(shí)現(xiàn)的。在前面的晶圓廠應(yīng)用中，在案例報告出爐前83天連續(xù)運(yùn)行時間內(nèi)，以99.999% 的可靠性傳輸超過2,600 萬個數(shù)據(jù)讀數(shù)。而TDGTechnologies已經(jīng)在美國西南部的幾個機(jī)場油庫部署了SmartHAWK無線傳感器系統(tǒng)，自2014年12 月以來SmartHAWK監(jiān)視的任何機(jī)場設(shè)備都未發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備故障。
SmartMesh采用的是WirelessHART協(xié)議，是一種收集和轉(zhuǎn)發(fā)周期性數(shù)據(jù)（雙向）的自組建網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。每個SmartMesh傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干個傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中一個節(jié)點(diǎn)和其它節(jié)點(diǎn)有所不同，為網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點(diǎn)，用于安排整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能并向主機(jī)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)。SmartMesh采用了“跳點(diǎn)技術(shù)”，即當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中有數(shù)據(jù)需要傳輸時，數(shù)據(jù)不是由數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)直接傳輸至目的節(jié)點(diǎn)，而是將數(shù)據(jù)傳輸給相鄰的節(jié)點(diǎn)，通過這種逐步傳遞的方法來將數(shù)據(jù)傳輸至目的節(jié)點(diǎn)。這樣設(shè)計的好處在于可以隨時增加新的節(jié)點(diǎn)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)更加靈活，具有更高的可擴(kuò)展性。
此外，SmartMesh采用了跳頻的技術(shù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個通道有干擾的時候會把通道的頻率從頻道1切換到頻道5。如果發(fā)現(xiàn)這個通道的干擾持續(xù)存在，沒辦法利用跳頻去解決的時候，SmartMesh技術(shù)會通過選擇別的通道和渠道把數(shù)據(jù)上傳到管理員節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)99.999%的高系統(tǒng)可靠性。 低功耗特性也非常重要，因?yàn)橥ǔＴO(shè)施附近并沒有AC 插座或以太網(wǎng)插口。出于安全原因，工業(yè)建筑物通常是由混凝土墻搭建的，因而使得安裝新電線的成本太高。SmartMesh采用了同步時間表的方式，通過控制傳感器的工作周期，何時開始喚醒，何時休眠，從而降低功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)按照時間表在規(guī)定的時間喚醒，檢查是否有任務(wù)需要完成，完成后節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個工作時間點(diǎn)到來。這樣一來，傳感器節(jié)點(diǎn)就無需長期處于監(jiān)聽狀態(tài)，事實(shí)上，大部分時間是處于睡眠狀態(tài)的，能最大限度地降低總體功耗。這種工作方式，是SmartMesh網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)在使用兩節(jié)AA電池的情況下，能維持一個傳感器節(jié)點(diǎn)工作長達(dá)5年甚至10年的重要原因。
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