【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——運用ADI的機器健康平臺,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)運給客戶的過程中出現(xiàn)不可接受的延誤。為避免停機,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,而且維護成本高昂。
部署一個含有32個節(jié)點的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。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,晶圓廠的站點管理軟件工具顯示實時讀數(shù)并自動地計算運行率,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。在日常運營中其好處還可擴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。
機場燃油庫如何實現(xiàn)安全監(jiān)測?
燃油費用在航空公司運營支出中占比高達(dá)30%。這使得在大型機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)機場發(fā)生的幾次事故突出顯示了緊密監(jiān)視和正確維護油庫設(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場降落加油。就事故機場而言,這意味著需要運送燃油、建立臨時燃油系統(tǒng)、以及更換受損設(shè)備,因此增加了運營費用。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200萬加侖的機場而言是個嚴(yán)重問題。
以無線方式監(jiān)視機場加油系統(tǒng),使維護團隊能夠識別并消除潛在的災(zāi)難性油泵。
然而,管理機場的油庫是一項令人望而卻步的任務(wù)。管理過程涉及將燃油運輸?shù)綑C場、把燃油存儲到油罐中、以及從油罐向飛機提供干凈且符合規(guī)格的燃油。油庫的機械設(shè)備需要始終保持在線,以確保安全和高效地為飛機提供服務(wù)。即使輕微的故障也有可能產(chǎn)生連鎖反應(yīng),影響飛機準(zhǔn)時離港以及其他對航空公司運營而言至關(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)險的火花和燃油點燃現(xiàn)象。航空業(yè)預(yù)測機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)境中可靠運行,通過測量機器溫度(表示機械裁荷)和沿3個獨立軸(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)場驗證,能在嚴(yán)酷的工業(yè)應(yīng)用中實現(xiàn)其高度可靠低功率運行。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,實現(xiàn)最佳機器維護效果。此外,SmartHAWK針對油泵等旋轉(zhuǎn)型設(shè)備為技術(shù)人員和設(shè)備操作人員提供實時和量化的健康狀態(tài)信息,具經(jīng)濟效益地監(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)防性維護工作。
SmartHAWK無線振動和溫度傳感器在一個機場油庫中監(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場油庫部署了SmartHAWK無線傳感器系統(tǒng)。每個地點的機場技術(shù)人員都建立了實時警報門限,以盡早指出關(guān)鍵油泵系統(tǒng)超出規(guī)格運行的情況。迄今為止,SmartHAWK監(jiān)視的任何機場設(shè)備都未發(fā)生災(zāi)難性設(shè)備故障。
為了簡化日常操作,機場設(shè)備管理人員正在利用實時數(shù)據(jù)記錄機器的監(jiān)視基線、評估設(shè)備性能并主動地安排設(shè)備維護工作,以減輕機器故障,優(yōu)化運營效率。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場設(shè)備管理團隊主動維護關(guān)鍵加油系統(tǒng),使系統(tǒng)很好地位于正常運行規(guī)格之內(nèi),避免機械火花和燃油點燃情況。此外,通過實現(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ZigBee也好,其他的網(wǎng)絡(luò)也好,可靠性都不是很高,因為99.999%的可靠性傳統(tǒng)無線方案非常難實現(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)點組成,其中一個節(jié)點和其它節(jié)點有所不同,為網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點,用于安排整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的任務(wù),監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能并向主機應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)。SmartMesh采用了“跳點技術(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)點直接傳輸至目的節(jié)點,而是將數(shù)據(jù)傳輸給相鄰的節(jié)點,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。這樣設(shè)計的好處在于可以隨時增加新的節(jié)點,使得傳感器網(wǎng)絡(luò)更加靈活,具有更高的可擴展性。
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,從而實現(xiàn)99.999%的高系統(tǒng)可靠性。 低功耗特性也非常重要,因為通常設(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)點轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài),直到下一個工作時間點到來。這樣一來,傳感器節(jié)點就無需長期處于監(jiān)聽狀態(tài),事實上,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)點在使用兩節(jié)AA電池的情況下,能維持一個傳感器節(jié)點工作長達(dá)5年甚至10年的重要原因。
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