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从工厂自动化到生产管理的蓝牙应用
蓝牙前进工业市场

【作者: 黃弘毅】2024年02月21日 星期三

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蓝牙无线通讯的应用,从短距离的个人区域网路来连接周边装置,一路发展下来,其效能与稳定性都逐渐提升到了工业级的水准,加上应用范围广泛,操作人员容易熟练应用等特性,未来在工业市场上普遍被各界所看好,各种应用模组已开始提供给业者来加以采用了。


工厂自动化需要连线的设备或装置

工厂自动化所需要的设备与装置,视不同的产业、产品、制程而有所差异,但一般而言,常见的有以下几种:机械手臂、感测器、控制器、通讯网路、电脑系统,以及各种输送运补与检测装置等。这些都有连线应用与管理上的需求,在实际规划上则要考虑下面几个面向:


1.设备之间的互通性:要确保不同厂牌、型号、规格的设备之间,能够透过标准化的通讯协定、介面、格式,进行资料的传递与交换,避免资讯的断层或不一致。


2.资讯的安全性:要确保工厂的资讯系统,能够抵抗外部的攻击、干扰、窃取,并采取适当的加密、验证、备份、恢复等措施,以保障资讯的机密性、完整性、可用性。


3.系统的可靠性:要确保工厂的自动化系统,能够持续、稳定、正确地运作,并具备自我诊断、自我修复、自我调整的能力,以应对各种突发的故障、变化、需求。


4.人员的素质:要确保工厂的人员,能够熟悉、操作、维护、改善工厂的自动化系统,并具备相关的知识、技能、态度,以配合自动化的生产模式。



图一 : 工业生产的装置需要各种无线通讯来连结
图一 : 工业生产的装置需要各种无线通讯来连结

在相关连线的设备装置中,有些是得以用无线网路来连结,以增加更多的机动性与方便性,甚至因而使效率提升、成本降低,以及资源的有效应用。以无线蓝牙应用而言,由於蓝牙无线技术也持续发展和改进,已渐渐能提供工厂自动化及工业物联网的需求和挑战。例如,最新的蓝牙5.2标准,可以提供更高的资料传输率、更低的功耗和更多的同步连接数。


蓝牙无线在工业应用的优势

蓝牙技术具有成本低、功耗低、易於部署等优势,因此在工业市场具有广阔的应用前景。随着蓝牙技术的不断发展,其在工业市场的应用将更加深入和广泛。目前主要的应用与优势如下:


1.蓝牙无线技术可以与行动装置原生支援,方便用户透过智慧型手机或平板电脑控制和监测IIoT装置。


2.蓝牙无线技术支援网状网路(mesh network)模式,可以让多个装置互相连接和传递资料,延伸网路范围,增加网路稳定性和弹性。


3.蓝牙无线技术具有低延迟和高安全性的特性,可以满足一些即时性和敏感性的工业应用,例如机器控制、感测器网路和预测性维护。


蓝牙通常用於在严酷的工业环境中快速、可靠地传输控制资料。它具有特殊操作模式,可以建立可靠稳定且支援便捷组态的无线连接。蓝牙通常是即开即用的,并已在成千上万的应用中成功使用。


现在的蓝牙连线距离更加强了,与远距离的自动化工作站通讯,蓝牙可在长达 200 m的距离内实现可靠的无线控制通讯。同时蓝牙技术也适用於需要与快速旋转的机器元件通讯的场景。即使现场有其他无线网路,蓝牙也可用於将乙太网路和PROFINET资料或I/O讯号传输至活动的或滚动的机器元件。蓝牙和 WLAN(无线区域网路)的工作频段都是2.4 GHz。透过自适应跳频(AFH)和频道黑名单功能,蓝牙与WLAN可以实现良好共存。AFH可以识别出WLAN系统占用的频道,并自动排除被WLAN占用的频道。



图二 : 典型的蓝牙网路结构(source:PHOENIX CONTACT)
图二 : 典型的蓝牙网路结构(source:PHOENIX CONTACT)

总之,蓝牙技术在工业自动化网路中已成为备受重视的通讯解决方案,特别适合将资料传输至活动的或滚动的机器元件。


蓝牙无线在工业应用中的缺点

虽然蓝牙技术在工业市场中具有许多优势,但也存在一些缺点,包括:


1.有限的传输距离:蓝牙技术的传输距离通常受限於10 m至200 m之间,这在某些大型工业场所中可能会造成覆盖范围不足的问题,需要设置更多的中继设备来扩展覆盖范围,或与其他无线网路的配合衔接。


2.干扰和信号衰减:在工业环境中,可能存在许多干扰源,如其他无线设备、金属结构、机器设备等,这些干扰会导致蓝牙信号的衰减或干扰,影响通信的稳定性和可靠性。


3.安全性风险:蓝牙技术的安全性问题也是一个考虑因素,例如可能存在的连接安全漏洞、身份验证问题、数据加密不足等,这可能会使得工业系统容易受到攻击和入侵。


4.能耗:蓝牙技术在传输数据时需要消耗电量,尤其是在持续通信的应用场景下,这可能会对设备的电池寿命产生影响,需要考虑能耗管理和优化。


5.装置版本相容性问题:由於蓝牙技术标准的不同版本和厂商之间的定制实现,可能存在相容互操作性问题,这会给系统集成和管理带来一定的挑战。


蓝牙装置辨别与连线上的困扰

在生产线上有非常多的装置与机械元件,加上消费性电子产品的蓝牙装置也可能混杂在一起,因此要如何管理以避免错乱也是一大课题:


一般消费性蓝牙设备的命名规则通常不一致,且缺乏明确的识别资讯,例如设备型号、生产厂商等。这可能会造成工作人员在辨别设备时产生困扰


为了解决这些困扰,可以采取以下措施:


1.对蓝牙设备进行统一命名和标识


可以根据设备的用途、功能、生产厂商、型号等资讯,对蓝牙设备进行统一命名和标识。例如,可以将设备命名为「厂房1-温控器」、「生产线2-扫描器」、「会议室3-音箱」等。


2.建立蓝牙设备管理系统


可以建立蓝牙设备管理系统,对蓝牙设备进行统一管理。该系统可以提供设备注册、设备查询、设备连线、设备管理等功能。


3.采用工业级蓝牙设备


工业级蓝牙设备通常具有更高的传输距离、更强的抗干扰能力、更高的安全性、更低的功耗等优势,可以有效解决一般消费性蓝牙设备存在的困扰。


总之,工作人员在使用蓝牙设备时,应该注意设备的名称、图示和配对程序,以避免辨识和连接上的困扰。


提供工业级蓝牙元件或模组的厂商

许多知名的电子元件制造商都开发了专门用於工业应用的蓝牙元件。以下是一些主要的厂商:



图三 : 主要的电子元件制造商都有提供蓝牙单晶片与模组,图为FEASYCOM的BLE Mesh Network Modules。
图三 : 主要的电子元件制造商都有提供蓝牙单晶片与模组,图为FEASYCOM的BLE Mesh Network Modules。

1.德州仪器(TI):提供了一系列的工业级蓝牙解决方案,包括蓝牙模组、蓝牙系统单晶片(SoC)和开发套件,支援各种工业应用的开发和集成。


2.挪威微电子:Nordic Semiconductor 的蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy;BLE)解决方案广泛应用於工业控制、自动化、物联网等领域。


3.赛普拉斯半导体:Cypress Semiconductor提供了一系列的工业级蓝牙模组和SoC,支持蓝牙5.0、BLE、Mesh等技术,适用於工业自动化、智能家居、健康护理等应用。


4. Dialog Semiconductor:提供了工业级的蓝牙模组和SoC,支持BLE、Mesh等技术,应用於智能家居、工业自动化、健康护理等领域。


5.意法半导体(ST):ST提供了多种工业级的蓝牙模组和SoC,包括蓝牙5.0、BLE、Mesh等技术,广泛应用於工业自动化、智能交通、智慧城市等领域。


6.矽宝科技(Silicon Labs):Silicon Labs提供了一系列的工业级蓝牙解决方案,包括蓝牙模组、SoC和开发套件,支持蓝牙5.0、BLE、Mesh等技术,应用於工业自动化、智能家居、智慧城市等领域。


还有其它诸如Broadcom、Qualcomm、NXP等等大厂也都有提供,台湾的厂商主要是提供蓝牙模组的应用,例如鸿伸科技专注於蓝牙无线通讯产品的研发、制造和行销,还有环旭电子提供蓝牙模组,用於各种应用。当然采用这些元件的装置就可以在工业环境中安心的应用,但在解决方案或系统规划方面也可以寻求在工业自动化上的专业厂商来协助,像是菲尼克斯电气集团(PHOENIX CONTACT)就有提供工业蓝牙的方案。


结语

总而言之,蓝牙技术在工业自动化生产与管理方面具有显着的效用,可以帮助企业提高生产效率、降低生产成本、提高产品品质、提高安全性。目前蓝牙技术也在推动即时定位系统(RTLS)的发展,所以从装置连结、资源追踪到工厂环境导航都是未来可以预期的工业应用。


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