多協定遠端 I/O 如何簡化機械控制並支援 OEE？

作者：Jeff Shepard

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2025-11-06

透過遠端 I/O 簡化機器控制，並從廠區開始延伸到控制網路，最終擴及控制櫃與雲端。關鍵考量在於整併，並可透過多協定 I/O 模塊加以支援。

不同的通訊協定，例如乙太網路、IO-Link 和 Modbus RTU，皆針對特定應用進行最佳化。與其針對每台機器、感測器與致動器單獨佈線回送到中央控制器，遠端多協定 I/O 系統則是將針對不同協定的眾多現場裝置，利用單一網路纜線匯集其資料。此整併可大幅減少接線、降低成本，並提升系統的靈活性、延展性及維護性。

整併所支援的資料彙總，對於簡化整體設備效率 (OEE) 計算的實作來說有所必要。OEE 是評估製造流程效率的綜合指標，其中結合了稼動率、效能與品質。OEE 可提供關鍵資料，以便做出資料導向的明智決策，以便達到生產流程最佳化，進而降低成本、提高產量、改善產品品質並提升獲利能力。

本文將探討 Banner Engineering 的多協定模塊如何在整個工業網路中支援遠端 I/O 連接與 OEE，可涵蓋廠區的機器、感測器與其他現場裝置，一路到控制櫃與雲端。

使用 OEE 指標就可提供明確且資料導向的工廠效能洞察。如此一來，就可提升生產力、降低成本、增強品質，並達到更明智的整體決策。

OEE 是以一個相當講究的方程式為基礎，並具有深遠的含意 (圖 1)。

稼動率會衡量已規劃生產時間中設備實際運作時間的百分比 = 實際運作時間 / 已規劃生產時間。如果機器原訂運作時間為 24 小時 (1440 分鐘)，但因意外停機而僅運作 20 小時 (1200分鐘)，則稼動率為 1200/1440 = 83.3%。
效能會衡量實際生產速度與最大速率的比較 = (最大循環時間 x 總產量) / 運作時間。如果機器的最大循環時間為每分鐘 1 個單位，運作時間為 1200 分鐘，而實際產出只有 1000 個單位，則效能為 (1 分鐘 / 單位 x 1000 單位) / 1200 分鐘 = 83.3%
品質會衡量良品率 = 良品數 / 總生產數。例如，如果一台機器生產了 1000 個單位，但有 20 個報廢或需要重工，品質即為 980 / 1000 = 98%
OEE = 83.3%(稼動率) × 83.3% (效能) × 98% (品質) = 68.0%

OEE 背後的數學計算很簡單示意圖 圖 1：OEE 背後的數學計算很簡單，但其影響卻深遠且廣大。(圖片來源：Banner Engineering)

在廠區實施 OEE 的挑戰

要取得實施 OEE 所需的資料並不容易。要從所有機器收集到準確且即時的資料就會是一大挑戰。對於較舊的機器和自動化孤島來說，更是困難。

手動輸入資料不僅會降低資料收集速度，還可能會導致資料輸入錯誤和不準確，例如將停機時間和缺陷的分類搞錯，進而導致不正確或失真的 OEE 測量結果。

及時、準確且完整的資料是有效實施 OEE 計畫的關鍵。實施範圍不僅限於廠區，也包括與既有系統的整合，例如企業資源規劃 (ERP)、電腦化維護管理系統 (CMMS)、預測性維護計畫，以及其他先進的工業 4.0 系統。遠端 I/O 解決方案，特別是包含邊緣處理能力的方案，都是實施 OEE 時的寶貴工具。

遠端 I/O 解決方案

遠端 I/O 中樞可利用單一網路匯流排將 I/O 模組連接到控制器，因此就可放置在更接近現場裝置 (如感測器和致動器) 的位置。如此一來，就可降低接線成本、簡化整合作業，並增進稼動率到更高水準。

支援多協定遠端 I/O 解決方案的主要網路裝置包括多協定乙太網路模塊、IO-Link 主控器、IO-Link 中樞，以及 Modbus RTU I/O 模塊等 (圖 2)。

Banner Engineering 提供的遠端 I/O 配置示意圖 圖 2：Banner Engineering 提供的多種遠端 I/O 配置範例。(圖片來源：Banner Engineering)

這些遠端 I/O 裝置中，有幾款具備 IP67 等級，因此可用於嚴苛的工業環境；主控器與控制器更含有邊緣處理與資料儲存功能，因此可簡化對 OEE 應用的整合作業。範例包括：

DXMR90-X1 中的四個獨立 Modbus 主控通訊埠可用於連接多個裝置，並可將 Modbus 數據轉換成常見的工業乙太網路協定，如 EtherNet/IP 和 PROFINET。
使用 DXMR90-4K 當作主控器與控制器，就可支援最多四個 IO-Link 裝置，如感測器、中樞和照明，且具備內建協定轉換功能，能與多種工業控制系統進行通訊，包括 EtherNet/IP、PROFINET、Modbus/TCP 及 Modbus RTU。對於要連接最多八個 IO-Link 裝置的應用來說，設計師可以轉用 DXMR110-8K，就可提供相同的協定轉換功能。
亦可使用 R95C-8B21-MQ 支援八埠離散 I/O，就可針對連接的感測器與裝置，將其離散訊號轉換成 Modbus 協定。

連接感測器的轉換器也相當關鍵。具有 4 至 20 mA 類比電流輸出的舊款感測器可使用 S15C-I-KQ 線上轉換器連接至 IO-Link 網路。對於產生離散 NPN 或 PNP 輸出的感測器來說，可使用 S15C-B22-MQ 線上轉換器將其連接至 Modbus 網路。

可使用中樞來整併廠區內的訊號。R90C-4B21-KQ 是一款 4 埠的離散式 IO-Link 中樞，可將非 IO-Link 離散裝置連接至 IO-Link 系統，將訊號整併後傳送至 IO-Link 主控器。具有 IP65、IP67 和 IP68 的防護等級。

機櫃內 IO-Link 中樞

機櫃內的 IO-Link 中樞是另一個強大且符合成本效益的工具，可用於實施OEE、增進資料收集、減少停機時間並簡化維護作業。此中樞可將多個離散與類比感測器集中在一起，因此能簡化接線，並可直接、即時存取實施 OEE 所需的詳細效能與診斷資料。

若需要機櫃內 IO-Link 中樞，設計人員可以轉用 Banner 的 IC70 系列。這些中樞可簡化個別感測器和致動器整合至控制系統的過程，無需額外的 I/O 模組。

整合式的延遲模式與連接埠監測，可在不依賴系統可編程邏輯控制器 (PLC) 的情況下實作基本邏輯功能，因此能加速設置並簡化編程作業。狀態 LED 可支援即時診斷，確保快速且準確的故障排除，並將停機時間降至最低。

IC70-16P-K 型號 (圖 3) 針對 PNP 裝置而設計，IC70-16N-K 則是針對 NPN 裝置而設計。兩者皆具備16 個通道、IP20 環境防護等級，因此適用於控制櫃，並可安裝在標準 35 mm DIN 軌道上。

Banner Engineering 的機櫃內 IO-Link 中樞具有 IP20 等級示意圖 圖 3：此機櫃內 IO-Link 中樞具備 IP20 等級，最多可連接 16 個 PNP 裝置。(圖片來源：Banner Engineering)

無線連線與 OEE

在實施 OEE 時，接至控制櫃和雲端的無線連線也是關鍵。無線連線可消除有線系統的限制，因此能提升操作靈活性、延展性與效率。

Banner 提供無線 I/O 解決方案，可因應多種自動化通訊協定，包括 Modbus/TCP、Modbus RTU 以及 EtherNet/IP，能讓 PLC、HMI 或其他本地主機之間達到通訊。這些無線控制器可介接本地序列埠、本地 I/O 埠以及本地 ISM 無線電裝置，並透過行動通訊連線或有線乙太網路連線將其連接至網際網路。

DXM700-B1 和 DXM1200-B2R1 兩款控制器皆可使用 Banner 的 Sure Cross DX80 無線閘道器或 MultiHop 無線電達到無線通訊，並提供 900 MHz 或 2.4 GHz ISM 頻段，可進行遠距通訊。更配備了業界標準的 RS-485、乙太網路和 USB 通訊埠。

兩者皆含有內部邏輯控制器，且具有動作規則及 ScriptBasic 編程能力，因此可開發簡易或複雜的解決方案，以便處理、記錄及控制與多個無線電台與感測器來回的資料。也具有整合式的可編程 LCD 螢幕和 LED 指示燈 (圖 4)。

Banner Engineering 的 DXM1200-B2 控制器 (左) 與 DXM700-B1 控制器 (右) 圖片 圖 4：DXM1200-B2 控制器 (左) 及 DXM700-B1 控制器 (右)。(圖片來源：Banner Engineering)

兩款控制器皆可連接雲端服務，例如 Banner 的 Connected Data Solutions (CDS)，以達到資料視覺化與分析，並可利用 300 MHz 的 M7 處理器，搭配 16 MB 的板載記憶體。可發送電子郵件和文字訊息警報，可支援將資料記錄到外接 microSD 卡 (最大 8 GB)，且兩者均可用相同的 12 V_DC 至 30 V_DC 電源供應器運作。

主要差異在於應用環境。DXM700 採用 IP20 等級外罩，能針對室內架設提供中等防護，並採用 DIN 軌道安裝。DXM1200 則採用 IP67 等級外殼，可提供強固的防塵防水能力，適用於嚴苛的戶外環境，並可採用面板或壁掛安裝。

此外，在乙太網路連接上也有差異。DXM700 配備 RJ45 插孔，並使用標準乙太網路線。DXM1200 則配備更堅固的工業級 M12 (D-code) 連接器，在設計上可抗振動並耐受環境壓力。

結論

Banner Engineering 的多協定遠端 I/O 主控器和控制器，尤其是 DXMR 有線系列和 DXM 無線解決方案，皆含有邊緣處理能力，能在本地整併和處理資料，這對於實施 OEE 及其他工業物聯網 (IIoT) 的應用來說非常關鍵。Banner 亦提供線上通訊協定轉換器及機櫃內 IO-Link 中樞，因此能簡化接線、達到遠端配置與監測，並降低成本。可讓傳統與現代裝置達到有效的整合。