多感測器資產監測如何提高工業 4.0 工廠和物流設施與資料中心的效能

監測機器的振動和溫度等參數，就可針對機器效能和健康狀態提供即時資料，並讓製造商取得必要的資料，以安排主動維護、減少停機時間並且提高生產力。

在物流設施中或運輸過程中進行濕度和溫度的監測，就可改善營運表現並有利於保存疫苗或生鮮農產品等物品。環境監測系統可提供有線與無線連線能力，可因應眾多應用，包括企業和雲端資料中心。

振動監測有助於辨別潛在的機器問題，防範於未然。國際標準化組織 (ISO) 10816 是重要的參考依據。可提供指引，以便評估馬達的振動嚴重性，包括泵浦、風扇、壓縮機、齒輪箱、鼓風機、烘乾機、壓機的馬達，以及在 10 至 1000 Hz 頻率範圍內運作的類似機器。

本文將說明挑選監測系統的有線與無線連線時的一些關鍵考量因素，以及為何挑選有線和無線網路時並不是非此即彼。接著還會說明 ISO 10816 所定義的四類振動嚴重性。最後會探討實作有線和無線狀態監測系統的各種選項，包括使用多個感測器來監測振動、溫度、濕度，以及代表性應用。

Banner Engineering 提供多種設備健康監測 (EHM) 閘道器，可輕鬆存取 EHM 網路資料。工業 EHM 設計人員可以選擇該公司的 SNAP ID 有線閘道器解決方案，搭配本機顯示器以瀏覽感測器讀數，或選配雲端儀表板，也可選擇 CLOUD ID 無線閘道器，就可直接連接雲端儀表板 (圖 1)。這兩個選項的共同特點包括：

• 多種感測器可供選擇，以達到最佳化 EHM 操作
• 可自動識別已連線的感測器，能支援快速部署，無需額外編程
• 感測器資料隨時可用於調整設備或安排必要的維護，以將停機時間降至最低並發揮最大的生產力
• 兩個系統都支援雲端連線
• 提供預先配置的儀表板，並可客製化以達到最佳化資料能見度

圖 1：Banner 的 SNAP ID 有線 (左) 和 CLOUD ID 無線 (右) EHM 閘道器有幾個共同特點。(圖片來源：DigiKey)

有線或無線 EHM 閘道器？

雖然有一些共同特點，但有線和無線 EHM 閘道器之間還是有一些根本差異。AMG-SNAP-ID 資產監測閘道器 (AMG) 可支援多達 20 個感測器和轉換器的調試、監測和警報。可支援 Modbus 和 Banner 的 SNAP SIGNAL 連線，可掃描個別感測器或轉換器、自動偵測機型資訊。使用者可以變更和分配 Modbus 伺服器 ID 編號，以打造和調試客製化 EHM 解決方案。可以對連線裝置進行分組，並可以個別分配警報臨界值。可在觸控螢幕上查看警報狀態，或透過外殼頂端的指示燈顏色判別。

若需要直接存取雲端，EHM 系統設計人員可以轉用 DXM1200-X2 IIoT 閘道器，就可連接 Banner 和第三方的最多 200 部裝置，以提供效能和機器健康資料。可自動偵測並連接感測器節點，並將資料傳送到 Banner Cloud 軟體。開發人員可以選擇簡易或複雜的程式設計工具。IIoT 閘道器可以在邊緣處理資訊，然後透過乙太網路和蜂巢網路傳送資訊，就可利用直覺的雲端儀表板在世界各處進行監測 (圖 2)。

圖 2：無線 (左) 和有線 (右) IIoT 感測器網路閘道器有幾個共同特點。(圖片來源：Banner Engineering)

有線和無線 EHM 的架構

有線和無線 EHM 架構並不相互排斥。有線系統可以有無線元件，而無線架構通常都含有有線連線。

舉例而言，基本的有線 EHM 架構可以含有接線盒，連接到多個感測器，如 4 埠 R50-4M125-M125Q-P 和 8 埠 R95-8M125-M125Q-P。Banner 的 Sure Cross R70SR 序列數據無線電，如 900 MHz R70SR9MQ 和 2.4 GHz R70SR2MQ，無需額外佈線，就可擴大網路範圍。這些無線電的特性包括 (圖 3)：

• RS-485 序列介面
• 支援星形和樹狀網路拓撲
• 支援具有多躍點的自我修復、自動路由型無線射頻網路，可進一步擴大網路範圍
• 跳頻展頻 (FHSS) 技術可提供可靠的資料傳輸

圖 3：基本的有線資產監測拓撲 (左) 搭配無線連線式遠端感測器叢集範例 (右)。(圖片來源：DigiKey)

在大型設施中，許多系統都可散佈在廣闊的區域內，包括：

• 空氣壓縮機
• 泵浦系統
• 輸送帶系統
• 多種電動馬達和機器
• 齒輪箱
• 空氣過濾系統
• 貯存槽中的液位測量和監測

在這些情況下，可以結合有線和無線技術來改善 EHM 系統效能。上面提到的 DXM1200-X2 無線 IIoT 閘道器含有 Modbus 有線連線。如果需要乙太網路，設計人員可以轉用 DXMR90-X1。DXMR90-4K 可以實作 IO-Link 主控／控制器功能。除了 Modbus、乙太網路和 IO-Link 的選擇之外，設計人員還可以使用 R709 序列數據無線電，為實體分散的資產提供無線連線 (圖 4)。

圖 4：IIoT 無線閘道器 (左下角) 提供 Modbus、乙太網路和 IO-Link 連線。(圖片來源：Banner Engineering)

ISO 10816 振動嚴重性

ISO 10816 是 EHM 系統的重要標準。針對電動馬達、泵浦和發電機等機器的振動嚴重性進行量化。此標準使用加速度、位移或振動速度的均方根 (rms) 值。ISO 10816 還納入峰對峰值的考量。測量兩個或多個參數時，振動嚴重性具有最高的 rms 值。此標準將振動嚴重性分為四個等級：

• 良好通常表示新調試的機器。
• 令人滿意的振動表示操作區域不受限制。
• 不滿意的振動表示操作需受限制並安排預防性維護。
• 不可接受的振動表示機器可能受損。

圖 5：IEC 10816 制訂四種振動嚴重性。(圖片來源：Banner Engineering)

振動和機器學習

即使機器「相同」，也不是精確的複製品。這時機器學習 (ML) 就可派上用場。Banner Engineering 提供的 VIBE-IQ 是一套振動監測軟體套裝，採用機器學習 (ML) 針對每一台機器的振動，建立唯一的基準操作值。ML 軟體接著就會自動設定警示和警報的臨界值。更可將複雜的 EHM 計算和分析自動化。VIBE-IQ 的一些特點包括：

• 持續監測 10 至 1,000 Hz 的 rms 速度、1,000 至 4,000 Hz 的 rms 高頻加速度和溫度
• 僅監測正在運作的馬達
• 使用資料進行趨勢分析，並進行即時監測以辨別以下情況：
  • 系統錯位或不平衡
  • 元件磨損或鬆動
  • 軸承過度磨損
  • 馬達安裝或驅動不當
  • 過溫情況
• 主動向主機控制器或雲端發送警告

振動與溫度

振動並非機器可能需要預防性維護的唯一線索。若有溫度上升的趨勢，也會引起 EHM 系統注意是否有潛在問題，特別是在溫度升高與振動變多有關聯時。

將這兩個參數結合起來，就可更全面地了解設備的狀況。可以提醒操作人員注意不同的狀況組合，並提供多種優勢：

• 振動可以識別機械問題，如錯位、不平衡、軸承磨損等。
• 溫度升高可用來識別電氣問題，例如繞組過熱或潤滑問題。
• 當偵測到異常操作時，將超出範圍的振動和溫度加以關聯，有助於判別可能的原因。例如，振動模式就有助於判別根本原因。
• 透過溫度和振動的監測，可以協助規劃預防性維護。溫度逐漸升高並不一定像振動變多那樣會變成問題，因為振動需要立即修正。
• 瞭解如何使用感測器資料來改進長期資產的挑選和利用率，以便在潛在的營運限制變成問題之前加以識別。

若要監測溫度和振動，EHM 系統設計人員可以轉用 Banner Engineering 的鋁製外殼 QM30VT2 感測器，或不鏽鋼外殼的 QM30VT2-SS-QP。兩個感測器皆可透過 RS-485 連接到 Modbus 無線電或任何 Modbus 網路，當作從屬裝置使用。其尺寸小巧，因此可安裝在狹窄的位置 (圖 6)。其他特點包括：

• 高精度溫度和振動測量
• 溫度測量範圍為 -40°C 至 +105°C，解析度為 1°C，精度為 ±3°C
• 可偵測頻寬高達 4 kHz 的雙軸振動，在 25°C 時精度為 ±10%，預設的採樣頻率為 20 kHz
• rms 速度、rms 高頻加速度、峰值速度以及從振動波形預處理的其他參數的輸出

圖 6：雙軸振動加溫度感測器可以直接安裝在馬達外殼上 (右)。(圖片來源：Banner Engineering)

振動頻譜分段 (spectral banding) 屬於進階功能。能讓使用者分割寬頻快速傅里葉變換 (FFT)，除了可取得 10 至 1,000 Hz 和 1,000 至 4,000 Hz 的標量數據外，還可取得較窄頻段的 rms 速度或加速度數據。根據使用者的需求，可以手動輸入頻段頻率，也可依據動態或靜態的速度輸入自動產生頻段頻率。譜段分析有助於更具體地診斷轉動機器的問題。

溫度和濕度

溫度與濕度的監測，對於資料中心、倉庫、無塵室、冰箱或冷卻機組來說相當重要。如 DX80N9Q45THA 這樣的溫度和濕度感測器就有下列助益：

• 保存生鮮農產品或疫苗等商品；瞭解溫度和濕度，是維持長期效力和避免變質的重要關鍵
• 保護資料中心的伺服器和儲存裝置等設備；超限的溫度或濕度會干擾正常運作或導致故障
• 增進倉庫和其他設施中的人員健康和安全；高濕度會導致工人難以在溫升下保持涼爽，有可能會導致熱衰竭

溫度測量範圍介於 -40°C 至 +85°C，解析度為 0.1°C；在 -40°C 至 0°C 間的精度為 ±0.6°C、0°C 至 +60°C 間的精度為 ±0.4°C、+60°C 至 +85°C 間的精度為 ±1.2°C。濕度感測器可測量 0% 至 100% RH，在 +25°C 時精度為 ±2%，在 0°C 至 +70°C 和 10% 至 90% RH 範圍內為 ±3%，在 0°C 至 +70°C 和 0% 至 10% 或 90% 至 100% RH 範圍內為 ±7%。

當裝置啟動後，會以快速採樣模式運作，每兩秒發送一次資料。5 分鐘後，節點會進入預設模式，每隔 5 分鐘發送資料。使用者可選擇 15 分鐘或 64 秒的採樣率。

採用 900 MHz 無線電的型號會以 1 W (30 dBm) 或 250 mW (使用者可選 24 dB) 的功率傳輸。250 mW 模式會縮小範圍，但可在短距應用中延長電池續航力。若是 2.4 GHz 型號，發射功率會固定在大約 65 mW (18 dBm)。在存放模式下運作時，無線電會關閉，以保留電池續航力。

結論

工業 4.0 工廠中使用有效的 EHM 系統可監測振動和溫度，有助於確保高水準的運作時間。濕度和溫度感測器還可提高資料中心的營運表現，並可在倉庫和物流作業中保存疫苗或生鮮農產品等商品。這些系統可以使用有線或無線連線來監測多個參數。