工廠自動化

Home  >Applications  >工廠自動化

一座現代化的工廠,需要搭配數十套不同功能的系統(System)協同運作,才能讓工廠順利且安全的持續不間斷的運作。工業物聯網(IIOT),不僅連結著相關的生產設備,還得鉅細靡遺地將所有的生產資訊與設備資訊回報給管理者,以避免錯誤或是降低設備的故障率。此外,除了「主系統」用來生產之外,相關的輔系統亦不少,防火防災的、抽風排汙的、照明與輸運的、人員安全與控管的等等。且依產品與產業類別有著許多的「獨特性」與「差異性」。一般來說可分為主系統(Main System)與輔系統(Auxiliary system)。

這些的系統都是由許許多多的控制器與感測器所結合後,再與現場的工業設備或是各式各樣的機具相結合,達到穩定生產(Set Point)的目標。其中,所包含的自動化設備,像是HMI/SCADA、DCS、PLC、PAC、DDC等控制器的背後,現今都是經由工業乙太網路將其連結起來,並互相傳遞資訊與協同運作。

一般工廠常見的主要系統應用如下:

  1. FMCS (Facility Monitoring Control System) 工廠生產管理系統
  2. DCS (Distributed Control System)分散式控制系統
  3. Raw Material Handling System原物料控管與進出料系統
  4. Quality/Production Measurement System製造品管系統
  5. Metering system量測系統
  6. ESD (Emergency Shut Down System)緊急停俥(機)系統
  7. Fire Alarm / Monitoring火警消防系統
  8. Water/Waste Treatment System水處理系統/廢水處理系統
  9. Gas/Storage/Pumping System氣體供應、存儲、加壓系統
  10. Chemistry System化學處理系統
  11. PS (Power Supply System)/Backup PS電源供應系統/緊急用電系統
  12. Environmental Monitoring/Exhaust System環境與排污監控系統.
  13. Leak Detect Monitoring system漏液漏氣偵測系統
  14. Others其它

 

一般工廠常見的輔助系統應用如下:

  1. HVAC (heating, ventilating, and air conditioning)冷暖空調系統
  2. BAS (Building Automation System)大樓自動化管理系統
  3. AGV (Automated Guided Vehicle)無人搬運車系統
  4. Raw Material Handling / Storage料件管理與倉儲系統
  5. Lighting/Broadcast System燈光音響廣播系統
  6. Human Management / Human Safety人員管理與人員安全
  7. Remote Monitoring, Unman station遠端管理紀錄系統/無人管理系統
  8. Device / Maintenance Monitoring設備維護與管理/資材系統
  9. Access Control / IP Surveillance system門禁與閉錄電視系統

 

這些主輔系統現今都可以導入工業物聯網概念,透過設計的手段來確保系統可以在合適的成本與需求之間取得平衡點。比較起過往傳統的現場總線網路或是點對點直接控制可以達到更高的效率. 工業物聯網設計概念主要分為以下幾點:

  1. 主電源與備用電源的取得The main & standby power supply
  2. 主系統與備用系統的設計Main and Backup system
  3. 傳統現場總線設備升級與轉換至工業乙太網路Field bus to Industrial Ethernet
  4. 通訊協議整合與適用性Protocol Conversion & Integration
  5. 網路系統骨幹線路備援或全系統備援Media Redundancy or System Redundancy
  6. 維護與後勤體系的可行性與相關成本計算Maintenance & Repair also related cost
  7. 設計者與使用者的操作界面與使用便利性User/operator friendly and single-window monitoring
  8. 生產效益評估與規劃Production measurement & performance

 

範例01.流程控制系統-DCS分散式控制系統

DCS分散式控制系統是用來處理龐大且複雜的生產流程控制。常見的應用環境像是化學處理廠(Petro chemical)、輕油裂解廠(Cracker)、火力發電廠(Power Plant)、汙水處理廠(Water Treatment Plant)等都需要仰賴這種大型化的控制系統才能辦的到。這樣的系統通常由上層端的HMI/SCADA 圖控人機介面透過工業以太網路(Industrial Ethernet)的連接到許多現場端的控制器,再由這許多的控制器透過現場網路(Fieldbus)連結數以千計或萬計的感測器、現場開關或是機械手臂等來處理系統的運作。當系統運作之後,一般會維持一個固定的產出來達成該工廠的最佳生產效率,稱為”Set Point”,生產量過高或過低都會對生產成本(Cost)與系統負荷(loading)造成很大的影響。在系統的規劃上一般會建議使用雙樹狀架構(Dual Tree)的雙網路系統來連結生產管理系統, 甚至有些特殊應用會需要到三套系統來達到備援的需求。當一套系統部份或完全失效的時後,並不會影響該工廠的運作, 工程師也有較為充裕的緩衝時間來進行除錯(Debug)或是更換設備。尤其是在具高經濟產值或影響的工廠如石化廠或是發電廠等, 更需要透過精細詳盡的規劃來確保系統的安全與穩定。系統設計概要,請參考下圖範例。

範例02.流程控制-PLC可程式化控制器系統

PLC可程式化控制器管理系統不同於DCS系統,是用來處理較為中小型的工廠流程控制系統,其所管理的終端設備數量相較DCS系統亦少很多。但其使用便利,系統造價較便宜、應用範圍廣泛為其優勢, 透過階梯圖(Ladder)的標準化開發軟體, 工程師可以將系統執行程序輕鬆設置。常見的應用像是鋼鐵廠、汽車廠、或一般工廠內大樓自動化系統(Building Automation)、排污監控系統(Pollution)、排通風系統(Exhausted Air)、油槽氣槽監控系統(Tank)、幫浦監控系統(Pump)、閘門啟閉系統(Gate control)等。


相較DCS系統,PLC 系統所應用的工廠規模在生產力、即時性、系統的穩定性的要求上亦較DCS系統來的不同。在PLC系統裡,一般會採用單或雙備源主機配合單環網系統來設計,系統較為單純且具備使用彈性與維護的便利性。ISON的工業級網路交換器提供了多樣的通訊介面供客戶選擇。乙太網路雙絞線或光纖線路可以依現場距離的不同來組合搭配使用。再加上I.A. Ring, I.A. Chain備援環網功能(Redundant Ring Network)可以在這樣的系統中達到網路備援的效果,協助PLC 主機不致因網路設備的損壞或網路線路的中斷而干擾系統的正常運作。系統設計概要,請參考下圖範例。

範例03. FMCS工廠生產管理控制系統

FMCS生產管理控制系統有別於DCS系統與PLC系統,其系統規模不像DCS系統那樣的龐大複雜,但卻有高於單純PLC系統對於系統備援上的需求. 所以在系統的設計上會更加考量系統備援能力(Redundancy)而非強大的系統處理能力(Processing capacity)。這樣的需求常見於高科技廠房之中,如半導體(semi-conductor)廠或是面板廠(TFT/LCD/LED Panel)、煉鋼煉鋁廠(Steel/Aluminum)、汽車廠(Car)等等。在工業網路系統上一般會設計成兩套或三套系統並聯使用。再加上雙環網(Dual Ring)系統甚至三環網系統來避免任何系統異常造成的停機損失。在講究高效率、生產不間斷(Non-stop)的高科技工廠中尤其是必要的投資。ISON的環網系統配合工業電腦主機或PLC的組合式應用將可以為客戶帶來極高的系統備援(Redundancy)及容錯能力(Error free)。系統設計概要,請參考下圖範例。

範例04. 原物料監控系統

原物料供應系統在一個工廠之中雖不若生產管理系統(FMCS)來的重要,但若安裝了這樣的輔助系統,可以省掉大量的人力成本並提高效率。當原物料運送至工廠內後,必需進行相關的先期處理、儲存、或運送至工廠內的相關生產單位,如能透過自動化的方式來處理,效率就可以大大的提升,但若是這樣的系統臨時故障出錯,亦不會嚴重到影響工廠的運行,只需要切換成人工模式處理即可。這樣的應用類型也常出現在工廠之中。換句話說,可以說是重要但並不是必要的系統。


這類的應用像是進料檢驗(IQC)、原物料倉儲(Storage)、水洗或壓碾系統(Washing/Crushing)、輸送帶系統(Belt system)、吊卸系統(Crane)等等。在這樣的監控系統之中,一般會採用較為簡易的方式來處理系統的規劃。其目標主要是將各站的控制機械或操作台連結起來即可,透過單環網(Single Ring)系統或結合無線網路(Wi-Fi or Zigbee),依各站區的距離搭配RJ45或是光纖線路搭配使用,最後將相關資訊收集到現場端的HMI人機介面上即可,此外,亦可以依需求與工廠生產管控系統做連結,進行資料的紀錄與儲存。系統設計概要,請參考下圖範例。
 

範例05. 品管與檢驗系統

在工廠將產品生產出來之後,就會進入到檢驗與品管的流程之中。透過一些科學的方法或是儀器來協助找出是否有產品瑕疵,並用這些積累的資料來協助提高產品的品質與生產良率。通常這樣的品管系統會與客戶服務系統做連結來達到客戶滿意的目的。這樣的工作通常是單機作業且複雜度與即時性都較低,也不會有網路或系統備援上的問題。這樣的系統通常會使用匯流排狀的網路系統,連接這些檢驗機台、儀器與資料庫。簡單方便的非網管型交換器即可大量的使用在這些地方。系統設計概要,請參考下圖範例。