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機器對機器網路促成機器功能自動化

作者:Lisa Eitel

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

機器對機器 (M2M) 網路本質上是一種組合型工業遠距資訊系統,由電信和資訊技術組合而成,會使用資料執行自動化作業。M2M 網路包含感測器、控制元件及各種機器,彼此互相通訊,無需人為參與。這類網路中的機器既可以位於同一設施中,也可以遠在世界另一端。

有線和無線通訊促成各項 M2M 功能的實現。各類元件會傳輸並收集資訊,以便進行運作評估和即時調整。例如,廢水處理廠可能在關鍵處理站採用遠端感測器,以收集關於液位、化學比例、溫度、流速等參數的資料。接著,這些資料會透過無線網路傳輸至某個平台,供智慧型控制元件收集。若需要有人員監督並針對參數變動做出回應,執行應用專屬軟體的人機介面 (HMI),可能會在數位儀表板上顯示系統的相關數值。在某些情況下,周邊裝置機器會透過 M2M 網路上的控制器,接收來自其他機器的訊號。這可讓此類設備與任何預設的規則式編程協同運作。

Multi-Tech 的 QuickCarrier USB-D 蜂巢網路通訊棒圖片圖 1:QuickCarrier USB-D 蜂巢網路通訊棒可支援需要可靠數據連線的 M2M 設備。此外,也能快速設定蜂巢網路連線,以數位方式傳輸實體資料。(圖片來源:Multi-Tech Systems Inc.)

M2M 網路連線和物聯網 (IoT) 連線之間的差異

自動化設計可提示並調節較高階的運作,這是相對較新的能力,須仰賴 M2M 和 IoT 這兩項技術。請閱讀 Digi-Key 的文章《IoT 和 M2M 在通訊及設計方面的差異》,深入了解這些系統有何不同。

  • M2M 技術的優點在於監測和控制個別功能 (及某種程度上的隔離功能)。透過嵌入式裝置促進蜂巢通訊,這項優點更有機會得以實現。許多 M2M 採用本機安裝,而且使用一個或兩個資訊來源。例如,消費級 M2M 設置可能包含恆溫器和攝影機,可持續將資料傳輸到穿戴式裝置或智慧型手機 — 目的可能是提示操作員進行調整。唯一的資料點來自那些感測元件。
  • IoT 意味著完全整合全連線式設備 (通常包含機器致動和回饋),以便在精密系統、資訊來源或高度自動化機械之間支援協同運作。因此,同類消費級設置 (包括恆溫器和攝影機與內建 IoT 功能的智慧型手機通訊),不但會採用來自這些回饋元件的資料點 (如同 M2M 設置的功能),而且也會使用當地氣象預報、眾包鄰里資料、專家分析資料,以及機器學習資料庫等額外的網際網路資料,來通知操作人員的回應,或某種連線式的自動化作業。

在工業環境中,這類 IoT 功能也能支援預測性維護,以及使用大數據來實現企業級 (商務) 功能。某些集中式系統,通常會收集部份或完全經過過濾的機器自動化和回饋資料。然後,系統分析功能會產生規定的參數,以進一步監測、調節或調整。越來越多的設施使用大數據 (有時候會搭配機器學習) 來管理正常運作,以及需要維護或採取其他行動的有問題運作。例如,現代化的天然氣管線會向中央資料庫傳送遠端加壓站的資料,以供控制指揮中心人員存取;在某些情況下,人員甚至身處不同洲。

支援 M2M 功能的硬體類型

感測器、致動器以及嵌入式邏輯元件,是支援 M2M 的主要硬體類型。感測器和致動器通常是由元件製造商提供,並且內建 M2M 連線能力。相比之下,嵌入式 M2M 模組通常是由 OEM 廠整合到自家裝置中,以執行特定的任務和功能 — 通常會針對過去採用隔離運作的裝置,提供蜂巢式網路和其他形式的連線能力。這類嵌入式 M2M 系統在運輸與航太產業中特別實用,尤其適用於船隻、飛機及長程卡車等資產上的 GPS 導航系統、聯鎖裝置,以及記錄器和感測器。

Digi XBee Cellular LTE Cat 1 嵌入式數據機圖片圖 2:嵌入式系統內含 IC,可用於傳輸、接收和處理資料。這款 XBee Cellular LTE Cat 1 嵌入式數據機專供 OEM 廠商使用,以整合到需要蜂巢連線能力的自家產品中。(圖片來源:Digi)

M2M 軟體:M2M 設備所採用的軟體平台,視機器的行動能力、所處環境,以及需要處理的資料量和類型而定。若 M2M 軟體需要運用雲端運算,則會在與遠端伺服器通訊的硬體上執行。遠端伺服器會執行自己的軟體,將資訊傳送給管理員,管理員隨後會處理這些資料並依此採取行動。在某些情況下,支援 M2M 網路的軟體,也包含圖形使用者介面 (GUI) 使用的軟體。這類 GUI 可讓操作人員存取經過濾的系統資料,通常是以圖表和影片方式呈現,而不是複雜且可能令人混淆的文字介面。

M2M 網路的適用範圍

專注於診斷與維護的應用:M2M 網路可支援診斷和維護、機器最佳化,以及應用專屬的控制功能。因為 M2M 網路會持續傳送和接收資料,所以相當適合針對生產設施中的單機設備,將其排定的維護時程最佳化,並在可能需要進行非排程維護時發出訊號。此時,連線機器的感測器可能會透過雲端軟體堆疊傳送資料,然後彙集這些資料並傳至另一個裝置,最後在提供關於設備或系統維護的資訊。例如,溫度異常可能表示需要將某個軸重新潤滑,或者因機械磨損而必須更換零件。

在機場營運的公共空間及內部工作區,M2M 網路會針對電扶梯、電動步道以及行李處理系統收集其溫度、振動以及齒輪馬達潤滑液量等資訊。此外,M2M 網路還會在機場的飲用水機櫃上使用感測器,來監測水流、溫度、機櫃門的開關狀態,甚至潛在的漏水情況。

機器狀況的圖形顯示:機器上的 M2M 狀態指示器,最簡單的形式是指示燈和數位讀數。但如上述說明,較精密的 M2M 系統支援 GUI,並以容易理解的資料格式,向人員傳達機器狀況的資訊。在某些情況下,這種呈現方式也會以小型顯示器,甚至全尺寸人機介面 (HMI) 的形式,出現在機器或裝置上。在其他情況下,圖形顯示則位於遠端位置。

遠端變更設定:M2M 網路收集的系統回饋資料,通常可告知遠端觸發的工作流程和資源配置。再次以機場為例:M2M 網路所提供的資料分析結果,可能會提醒管理人員派遣技師前去處理設備故障問題,而不用等到清潔人員或旅客注意到問題並回報後才處理。

M2M 實體網路連線和連結

如前所述,M2M 通訊是透過無線和有線方式進行。最簡易型裝置的有線組合包括電力線通訊和序列通訊;前者是透過供應交流電力的導線傳輸資料,後者則是以業界標準順序一次傳輸一個位元的資料。較先進的 M2M 設備可能會採用本機區域網路 (LAN),或針對分散式與擴充式 M2M 應用採用廣域網路 (WAN),以便在更遠距離上進行通訊和資料傳輸。前述的嵌入式 M2M 子組件會透過 WAN 和 LAN 進行連線,而且可能會以系統間系統內的元件身份進行通訊。

系統間通訊是透過控制器區域網路 (CAN) 和序列周邊裝置介面 (SPI) 協定,在裝置之間進行通訊。相比之下,系統內通訊通常會採用通用序列匯流排 (USB) 或通用同步/非同步接收器/發射器 (USART) 微晶片,透過電腦的序列埠進行通訊,讓資料得以在裝置內的晶片間流通。

當然,機器和裝置之間的通訊也可以其他形式進行。點對點通訊 (相對於廣播通訊) 通常會在設備的各個元件內支援 M2M 功能。此外,遠端終端裝置 (RTU) 也可支援 M2M 連線,通常以電子微處理器模組的形式銷售,能對現場裝置進行監測和控制,以提供監管控制和數據採集 (SCADA) 功能。這些裝置充當媒介,執行以下工作:

  • 向中央系統傳送 (從現場裝置收集到的) 遙測格式的資料,然後
  • 輸出回應命令以送回現場裝置。

無線 M2M 通訊格式:M2M 無線通訊有多種配置,包括使用藍牙、Wi-Fi 和 GSM 技術,以及 GSM、CMDA 和 LTE 蜂巢網路。無線網路提供輕巧和便利的優勢,而 LTE/5G 等新興基礎架構標準,也逐漸促成蜂巢通訊的更多應用,以實現 M2M 功能。

M2M 功能所用的應用層協定

M2M 通訊主要是在工業網路的應用層上進行。應用層是介接系統和使用者的最頂層,可在裝置和控制元件間進行通訊。有許多應用程式介面 (API) 都能簡化這些軟體和網路服務的編程。

根據 OSI 標準分類法整理的各種網路協定圖片圖 3:網路的概念模型為數眾多;此處顯示根據最知名的模型 (即 1984 年制訂的開放式系統互連 (OSI) 標準) 分類法所整理的各種網路協定。(圖片來源:Design World)

應用層級的超文件傳輸協定 (HTTP) 是最常用於 M2M 功能的協定之一,可界定網路瀏覽器和伺服器之間的訊息結構。HTTP 通常與超連結能力以及其賦予全球資訊網的其他結構能力相關。此協定在 M2M 應用中有類似的運作方式,瀏覽器會作為用戶端,向提供應用的伺服器索取資訊。

另外,M2M 連線也可採用訊息佇列遙測傳輸 (MQTT) 協定。這是一項以 TCP/IP 為基礎的訊息傳送協定,可用於簡易的 M2M 通訊。在某些設置中,多個用戶端會將 MQTT 中介的資訊進行交換。這類中介功能是由接收器、閘道器或伺服器執行。中介會接受用戶端向其發佈的訊息,然後,用戶端即可接收其訂閱的訊息。

M2M 功能所採用的另一個通訊協定,正是用於工業自動化的開放式 OPC 統一架構 (OPC UA) 協定。還有另一個開放式標準選項是進階訊息佇列協定 (AMQP),可在應用程式之間傳送訊息。這是許多企業應用程式傳遞商業訊息時所用的標準。對比之下,MTConnect (由 ANSI/MTC1.4-2018 定義) 則是製造業的標準,會指定控制資料在工廠裝置和應用之間的交換方式。工廠裝置可以是設備,也可以是工具和感測器。MTConnect 會將從 XML 格式擷取的資料標準化,內含標準化的元件描述。

雖然這不在本文討論範圍之內,而且無法準確對應至經典的 OSI 網路模型,但值得一提的是,Amazon Web Services (AWS) IoT Core 是一種新興的網管型雲端服務,可供 M2M 和 IoT 應用使用。AWS 可支援 HTTP 和 MQTT,並可針對數十億現場裝置和 AWS 端點之間多達數兆筆的訊息,提供安全的處理和路由功能。

M2M 通訊和控制的下一場革命

隨著企業善加運用資料存取的優勢,M2M 網路會繼續蓬勃發展。事實上,支援 M2M 的軟硬體以及網路通訊正持續演進中,可為工業和其他產業提供前所未有的功能。因此,這些 M2M 網路會持續成為傳輸、接收和交換資料的強大工具。在某些情況下,也會補強或促進 IoT 設備的發展。

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關於作者

Lisa Eitel

Lisa Eitel 自 2001 年起就在動作產業服務。她擅長的領域包括馬達、驅動、動作控制、電力傳輸、線性動作,以及感測與回授技術。她擁有機械工程學士學位,也是 Tau Beta Pi 工程榮譽協會成員之一。此外她也加入女性工程師協會,並擔任亞利桑那州巴克艾區域 FIRST 機器人競賽評審。除了在 motioncontroltips.com 網站撰稿外,Lisa 也負責引導 Design World 動作季刊的製作。

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