推動智慧製造達到更高彈性、生產力、以及永續性

作者:ADI 策略行銷經理 Maurice O’Brien


智慧運動控制對智慧製造的重要性

智慧運動控制(Intelligent motion control)是智慧製造的核心建構元件,促成高彈性與高效率的製造流程。智慧運動控制結合精準回饋、先進感測、高效能控制、以及無縫銜接的連結,造就出決定性(deterministic)運動解決方案。無縫銜接的連結機制,串接PLC與製造執行系統(MES)的動作偵測情資,促成先進分析機制,藉以優化製造流程,以及在生產停擺之前及時找出潛在問題。運用智慧運動控制技術的智慧製造能快速重設定(reconfigured),支援更敏捷與可擴充的製造環境,包括batch size 1此種一次量產僅一個的生產模式。藉由縮短完成製造步驟的時間,以及優化製造流程以達到更高的吞吐量,即可減少消耗能源進而達成更永續環保的智慧製造。智慧運動應用涵蓋:

  • 泵浦
  • 風扇
  • 搬運機具(Hoists)
  • 冷暖空調設備(HVAC)
  • 輸送帶
  • 線圈(Winding)
  • 印刷(Printing)
  • 擠製機(Extrusion)
  • 機械加工(Machining)
  • 機器人(Robotics)
  • 取放搬運(Pick and place)
  • 裝卸操控(Handling)等

智慧運動控制解決方案的演進

運動控制歷經長期演進,從簡單的併聯(grid connected)馬達到複雜的多軸伺服驅動解決方案,應用在工具機(machine tool)與工業機器人領域。隨著自動化複雜度升高,這方面的演進隨之加速,藉以為智慧製造提供更高的生產力、彈性、以及自主性(如圖1所示)

Figure 1. The evolution of intelligent, connected motion applications.

圖1. 智慧併聯運動應用的演進

併聯馬達

最基本的運動解決方案是基於併聯或交流供電的三相式固定速度馬達,運用一個配電盤(switchgear)提供開/關控制與保護電路。這些基礎運動解決方案在相對固定速度下運行,不受任何負載波動(load variation)影響。調降輸出功率的方式是運用機械式控制 – 包括油門、阻尼、齒輪或閥門、泵浦、風扇等都是典型的例子。

變流器驅動馬達

加入整流器、直流匯流排、以及三相變流級(inverter stage),實際上建構出一個可變頻率與可變電壓源,套用到馬達上即構成可變速度機制。這種變流器驅動馬達大幅降低耗電,根據負載與應用進行調整,讓馬達在最適速度運轉。應用實例包括更高效率的泵浦與風扇。

變速驅動器

在更高效能的運動控制應用方面,變速驅動器(VSD)促成精準扭力、速度、以及位置控制機制。為達成上述目標,電流與位置量測機制會加入到基本的開迴路變流驅動器。如此一來,更精準地控制馬達速度、位置、扭力就變得可行。包括輸送帶、線圈、印刷、以及擠製機具都是這些應用的典型例子。

伺服驅動系統

同步化多軸伺服驅動系統則用在更複雜的運動應用。工具機與電腦數值控制(CNC)機具需要多軸向的協調同步,涉及極精準的位置回饋。在CNC數控加工方面,五軸協調同動(coordination)是很常見的機制,有些應用甚至用到12軸,刀具與工件在加工時都會移動。

工業機器人/合作機器人/移動式機器人

工業機器人需要多軸伺服驅動器結合機器整合與先進機器控制演算法,藉以執行複雜的3D空間定位。機器人通常需要協調控制六個軸向的運動,如果機器人會沿軌道移動就會需要控制七個軸向。協作機器人(cobot)採用工業機器人解決方案打造而成,加入功率與力道限制(PFL)機制,提供功能安全的多軸機器控制功能,讓操作者能安全地與協作機器人一同工作。最後,自主導航的功能安全機器控制方案部署在移動式機器人,結合本地端感測與碰撞規避機制。

帶動智慧運動控制成長的驅動力

四項關鍵成長驅動力加速智慧運動控制的發展:其中包括降低能耗、敏捷製造、數位轉型、以及移轉至新型服務式商業模式,降低停機時間以及提高智慧製造的資產使用率。讓我們詳加探索這四個關鍵成長驅動力。

降低能耗

工業近70%的用電都是由電動馬達系統消耗1。智慧運動解決方案現今與未來都將持續提供大幅降低的能耗,讓更多應用從固定速度馬達轉移至高效率馬達與可變速驅動器,因應各項能源效率法規的要求。能耗的降低將促成更永續環保的製造。取得機器運動情資藉以優化製造流程,將進一步降低智慧製造的能源消耗。

敏捷製造

隨著業界持續調適以因應消費者的要求以及持續演變的買方行為,基於可設定生產線的敏捷製造就必須更多客製化以及更快的整備時間。消費者需求促使業界從少樣多量轉移至多樣少量的製造模式,促使工廠產線需要更高的彈性。許多複雜、重複性、高危險性的任務,現在都能由工業機器人執行,進而達到更高的吞吐量與提高生產力。敏捷製造除了能在混亂時期提高應變韌性,還能更快回應持續變化的客戶要求。

數位轉型

全球在2023年在數位轉型的花費將達到6.8兆美元2。可變速驅動器與伺服驅動器運用包括電壓、電流、位置、溫度、功率、能耗等數據,結合外部感測器監視振動與其他製程變數。運用匯整資訊科技/營運技術(IT/OT)乙太網路,讓運動應用能與其他通訊資料與情資進行聯網。現在的運動資料與情資不僅具有更高的可存取性,還能由強大雲端運算與AI進行分析,藉以優化製造流程,以及監視整個廠區目前資產健康狀態(如圖2所示)。

Figure 2. Digital transformation enabled by seamless Industrial Ethernet connectivity.

圖2. 無縫銜接工業乙太網路促成數位轉型

部署資產的新商業模式

資產製造商希望不光只銷售資產- 他們希望擴展其商業模式,涵蓋售後服務合約,根據生產力與資產使用率的高低來收費。舉例來說,幫浦製造商希望銷售新型態預測維護服務方案,按泵送液體(像是水或液體)容積銷售,依據泵送的每立方公尺(m3)容積計費,而不是只銷售幫浦。幫浦OEM代工廠預估未來五年50%到60%的營收將來自服務相關業務3。系統整合廠商希望根據安裝機具製造能力的正常運作時間(uptime)收費,取代根據最初安裝資產收費的營收模式。新型智慧運動解決方案整合各種狀態監視功能,建置資產健康狀況的即時監視機制,藉以規劃維護時程。這種監視能消弭非規劃的資產停機,提供更高生產力與資產使用率,這些都是新型服務合約的重要基石。

智慧運動控制要求

為促成智慧製造達到更高的生產力與永續性,業界需要新型先進運動控制解決方案提供四大成長驅動力。圖3顯示關鍵的智慧運動控制要求。

Figure 3. Intelligent motion requirements.

圖3. 智慧運動要求

卓越的運動控制

卓越的運動控制能縮短完成製造步驟的時間,不僅提高吞吐量與製造生產力,還能降低耗能。實際例子包括精準位置與扭力控制促成更高品質與更快的加工,像是減少加工複雜零件所需的步驟與時間。提供卓越運動控制的關鍵要求包括改進控制迴路效能、適用於嚴苛工業部署環境的強固解決方案、以及高水準的整合度促成高可靠度小型化解決方案。這些目標催生出低延遲、低漂移、多相位電流與位置感測以及訊號鏈,具備高瞬態強固性與高整合度元件。

強固、安全、可靠

強固可靠解決方案能延長資產的可用壽命,這些都是促成更高永續性智慧製造的關鍵要素。藉由延長資產壽命,我們能大幅縮減原物料與能源的消耗,製造替代資產。電源調節與電源保護的電源管理解決方案都是關鍵元件,協助提供更強固、可靠的資產。電源管理的要求包括支援絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的高側電源供應器、支援FPGA與處理器的高電源密度解決方案、電源管理遙測的數位負載點(PoL)、EMC強固性、高環境溫度工作、以及資料與電源隔離,保護使用者避免因高電壓受傷害。可靠地運用新型寬能隙電源開關(運用碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN))製成,則衍生許多新挑戰與需求,並協助業界提供快速過電流保護系統以及強固工作性能。

即時連結

在高效能、多軸、同步化運動應用方面,控制時序要求都是精準、決定性、以及時間要求嚴苛,必須盡可能減低端至端延遲,尤其是當控制週期時間越來越短而控制演算法卻越來越複雜。這些高效能應用需要即時連結,在次微秒(sub-ms)等級的網路週期時間下控制各種複雜的運動應用。智慧製造採用視覺系統搭配運動應用,用來監視製造品質與提高生產安全性。工業乙太網路必須支援即時決定性運動控制流量以及盡力傳輸(best-effort)視覺流量在Gb頻寬等級的網路上並存傳輸。必須要有裝置與控制器連上網路的互通性,才能在製造環境提供無縫銜接的資料流吞吐量,以及確保對更高層管理系統的資料透明度,並藉由縮短投產啟動時間(commissioning time)讓這些網路更具彈性與擴充性。匯流(IT/OT)的乙太網路確保更高層管理軟體系統能無縫存取運動情資,經過分析後著手優化製造流程與加速數位轉型。

先進感測

先進感測解決方案獲取的運動情資能用來優化製造流程,以及偵測的失效的早期跡像。感測的模態包括位置、電流、電壓、磁場、溫度、振動、以及衝擊。許多新發展的商業模式運用先進感測方案部署即時監視機制,掌握資產的健康狀況,憑藉提升資產正常運行時間的效益,向客戶推出預測性維護服務合約方案。先進的感測要求包括在惡劣工業環境(像是充滿大量灰塵)中維持強固性、精準的位置感測、無接觸高電流感測、高頻寬電流與振動感測、精減(reduced)校正以確保解決方案的精準度、以及小型化解決方案尺吋支援各種類型編碼器應用。

關鍵技術加速發展更高價值的運動控制解決方案

新一代智慧運動控制解決方案必須針對智慧製造結合各種技術。藉由從先進感測元件取得系統情資,這些技術能在各種惡劣工業環境提供強固、精準的運動控制(如圖4所示)

Figure 4. Key technologies to accelerate higher value motion solutions with access to system insights.

圖4. 關鍵技術藉由取得各項系統情資,加速發展更高價值的運動控制解決方案

精準量測

複雜運動控制需要精準轉換器技術來達到高品質電流回饋,運用隔離與非隔離式解決方案來提供控制迴路效能,兼具高精準與快速瞬態響應的性能。電流回饋是基礎的建構元件,用來提升驅動效能以及決定整體控制頻寬與反應時間。電流回饋的關鍵要求包括與PWM週期進行同步量測、隔離或高共模量測、低偏置漂移以降低扭力漣波、以及在14至18位元解析度下的低延遲模擬取樣以量測相位電流。此外還需要精準轉換器技術,藉以在編碼器與線性滑軌應用中執行精準位置量測,藉以提供更高的吞吐量與生產力。

隔離與介面

促成複雜運動控制的新一代驅動器與馬達需要數位隔離技術來提供隔離式資料與隔離式通訊介面,像是RS-485、USB、以及LVDS。此外還需要隔離式閘極驅動器來驅動高側與低側電力半導體,以提供強固、安全合規、高度可靠的資產。閘極驅動器能將邏輯層級PWM訊號轉換成高側參考訊號,用來控制功率電晶體。高電壓逆變器應用通常採用IBGT元件,未來的趨勢是採用碳化矽與氮化鎵元件來提高切換頻率與/或降低切換損耗。低電壓應用通常採用MOSFET型開關元件。閘極驅動器的關鍵要求包括高速、低傳播延遲、低延遲時滯(delay skew)、強固性、以及共模瞬態免疫力、切換保護功能(DESAT、米勒鉗位、軟關閉、UVLO)、以及可控制切換(可變扭轉率切換)。標準數位隔離器用在許多驅動器,負責在高電壓功率電子域與安全超低電壓(SELV)域之間轉換訊號,支援PWM與其他訊號。這類例子包括為整合式電源模組(IPM)隔離訊號。完全隔離式電源解決方案亦可結合數位隔離器或其他隔離功能,提供比分立式變壓器解決方案大幅縮減的尺寸。

工業乙太網路

工業乙太網路具備次微秒等級的網路效能,滿足運動控制應用(伺服與驅動器)決定性即時通訊的要求。100 Mb 與Gb速度的強固實體層元件,結合Layer 2工業乙太網路協定,像是EtherCAT、PROFINET、EtherNET/IP、以及IEEE 時間敏感型網路 (TSN) ,確保確定性乙太網路連結能力。新一代設計朝Gb TSN匯流網路邁進,結合多種流量類型; 支援控制的周期性通訊; 支援盡力傳送(best effort)流量的非週期性通訊(像是視覺與監視流量)。在多軸應用中,低延遲工業乙太網路解決方案必須降低週期時間。這些決定性運動解決方案促成更複雜的運動應用,協助業界達成更高的製造生產力與彈性。

磁性感測

磁性感測基於異向性磁電阻(AMR)位置感測解決方案,為編碼器應用提供強固且精準的位置感測機制。位置回饋用在直接位置控制或推算旋轉速度,以及在伺服驅動器中建置機器速度控制機制。磁性感測提供比光學編碼器成本更低的解決方案,以及為充斥污塵與振動的工業應用提供更強固的解決方案。

電源管理

智慧運動應用通常部署在惡劣的工業環境,因此除了要求各種在高環境溫度下工作,還要對導通雜訊與高電壓瞬態具有免疫力。在一些去中心化應用上,驅動器設置在靠近馬達處以裝入更小的機殼,在其他應用中驅動器甚至和馬達整合在一起。更高電力密度的電源管理解決方案,同時能在環境溫度下工作,才能促成這些更小型的智慧運動應用。

機器健康

機器健康採用振動與衝擊感測器執行即時狀況監視,藉由掌握資產的健康狀況來消弭非規劃停機、延長資產的可使用壽命、以及降低維護成本。藉由將機器健康整合到運動應用,即可透過數位化策略來開創新的營收來源,根據保證正常運行時間以達到更高的製造生產力,創造出新型服務商業模式。包括振動、衝擊、溫度等資產健康資料透過邊緣AI轉換成資產健康情資,再透過有線或無線解決方案傳送到管理控制軟體,由這些軟體提供關鍵資產的即時健康狀態。

總結

敏捷製造必須快速回應持續變化的消費者要求,以及支援最低到批次數量僅一個(batch size of 1)的高效率生產。運用智慧連網資產的敏捷製造,可快速重新設定。這些連網資產能即時共享資料,而這類資料可用來找出生產瓶頸,藉以提升營運效能,以及監視資產的健康狀況,藉以消弭非規劃的停機。運用智慧運動解決方案的智慧製造不僅減少耗能,還促成更複雜的運動,藉以達到更高的彈性、生產力、以及永續性。如欲瞭解Analog Devices針對智慧運動控制推出的技術與平台,以及瞭解我們如何協助客戶與夥伴加速轉向更高價值的運動控制解決方案,歡迎探索以下資料或瀏覽 analog.com/intelligentmotion

Figure 5. Analog Devices solutions for intelligent motion applications.

圖5. Analog Devices針對智慧運動應用推出的解決方案

智慧運動控制解決方案

Analog Devices針對智慧運動應用推出的技術與系統層級解決方案不僅造就更高的效能,並降低能耗與停機時間。圖5顯示典型的馬達驅動訊號鏈,其中包含6個關鍵區塊,每個區塊都對應了一款ADI的解決方案。

電力電子

電力電子(power electronics)元件在馬達驅動系統中提供電力轉換機制。在高伏特系統(超過100V)中會使用一個隔離式閘極驅動器來驅動電力半導體。 ADuM4122 是一款單閘隔離式閘極驅動器,短路電流為3安培(<3 Ω)。它支援功能隔離或增強隔離,最高支援到800 V DC匯流排,結合迴轉率控制機制以執行EMI/功率損失的最佳化。此外它還支援高共模暫態抗擾度(CMTI)與低傳播延遲,讓產品能使用碳化矽與氮化鎵功率半導體。 ADuM160N 多通道數位隔離器可在搭配整合式電源模組(IPM)使用時用來隔離PWM訊號,IPM內部整合閘極驅動器與功率半導體。 ADuM6028 隔離式功率元件可搭配數位隔離器、隔離式收發器、以及隔離式資料轉換器,提供極微型8接腳架解決方案,不僅完全通過安全認證,而且可立即使用。

對於低電壓系統(小於100V), LTC7060這款100V半橋驅動器具備浮動接地與可程式化空檔時間,或是可採用 LTC7000這款150V保護式高側NMOS靜態切換驅動器,內含PassThru 技術與調適性擊穿(shoot-through)保護機制,可用來驅動低電壓半導體。此外,LTC7000亦支援設定空檔時間,藉以達到效率最佳化、增強電流控制、以及迴轉率控制,從而減少電磁干擾。

電流感測

在隔離電流感測量測方面, ADuM7701 這款高效能二階三角積分(Σ-Δ)調變器能將類比輸入訊號轉換成高速單位元資料流,並運用Analog Devices iCoupler® 技術建立晶片數位隔離。 ADuM7703 的低偏置漂移(0.6 μV/°C max)能降低扭力訊號漣波,晶片本身裝在緊湊的8接腳封裝,整合式LDO穩壓器簡化電源供應器設計並縮減電路板空間。它具備的150 V/ns 最低共模暫態抗擾度(CMTI)性能讓產品能使用氮化鎵與碳化矽功率元件。

AD8410 高電壓、電流感測放大器提供高增益 (20 V/V, 50 V/V, 100 V/V)與低偏置漂移 (~1 μV/°C) ,兼具高頻寬 (2 MHz)特性,造就優異的電流控制機制。 LTC6102 精準零漂移電流感測放大器確保在各種工作條件下維持精準度,在分流(shunt)電流感測應用中能使用最高100V的高側(high-side)電壓供電。

位置感測

位置回饋機制用來直接控制位置、推算旋轉速度、以及建置機器學習的速度控制功能。 ADA4570ADA4571 整合式AMR角度感測器內建訊號調節器,能針對馬達驅動器與各種伺服應用執行更高絕對精準度的位置感測(<0.1° 誤差,<0.5° 壽期/溫度)。它們能在充斥電磁干擾的環境穩定工作,支援極寬的氣隙容差(tolerance),且角度誤差不會增大(不像Hall/GMR/TMR),能簡化各種系統設計的考量因素。相較於光學感測器,在許多工業應用中ADA4570 與ADA4571不會受灰塵或髒污影響,而且對比市面上內建校正引擎的數位輸出解決方案其延遲更低。ADA4571能產生兩個單端類比輸出(正弦與餘弦),標示週圍磁場的角位置,而ADA4570則能產生兩個差動類比輸出對。另外還推出成對(dual)版本的ADA4571 (ADA4571-2),支援需要完全冗餘的安全關鍵(safety critical)應用。

AD7380 是一款4 MSPS 雙重同步採樣16位元 SAR ADC轉換器,為各種編碼器應用提供高精準度與吞吐量,以及最低尺寸規格。AD7380採用小封裝尺寸(3 mm × 3 mm)協助打造微型化編碼器,4 MSPS的吞吐量造就最低延遲與快速控制迴路瞬態響應。AD7380超取樣(oversampling)引擎能在較慢的工作條件提供更高的精準度。

機器健康

振動與衝擊感測器整合到編碼器或馬達,藉此提供資產健康的情資。 ADXL1002 超低雜訊 (25 μg/√Hz in ±50 g 範圍)高頻率±50 g 微機電系統加速計提供高資料頻寬的震動感測機制,最高至11 kHz (3 dB point),共振頻率最高至21 kHz。 ADXL1002針對壓電(piezoelectric)感測器提供更低成本與更低功率的替代方案。ADXL1002除了能監視像直流馬達這類低轉速設備,相較於壓電感測器更能減少校正的需求。 ADXL354 是一款低雜訊、低功耗的3軸MEMS加速計,採用小型(3 mm × 5 mm)封裝,配備數位介面SPI (3線與4線)以及I2C ,提供整合在編碼器內的精小振動感測解決方案。

ADI OtoSense™ 智慧運動感測器 是一款AI型全套輸出(turnkey)式硬體與軟體解決方案,提供電動馬達的狀態監測,結合頂尖感測技術與尖端分析機制。不受馬達種類限制的 ADI OtoSense SMS 涵蓋最關鍵的診斷功能,將資料轉化為可作為行動依據的情資,讓用戶能預測維護週期與避免非預測的停機。

網路介面

智慧製造基於智慧運動應用組成的網路,在各種資產與更高層級控制與管理網路之間分享資料。ADI的強固型、低功耗、低延遲實體層元件包括 ADIN1200 (10/100) PHY 以及 ADIN1300(10/100/1000) PHY。兩款工業乙太網路實體層元件針對需要高工作環境溫度的工業應用量身設計,支援最高攝氏105度環境,並通過電磁相容與強固性標準的測試,能在各種惡劣工業應用中運行。低延遲實體層元件促成更低週期時間(cycle time)網路,能支援更多裝置聯網,因應複雜、高效能、決定性運動應用的時序要求。在確定性工業乙太網路連結方面,ADI的Layer 2工業乙太網路嵌入式2埠交換器 fido5100fido5200 支援包括PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、Modbus TCP、以及Ethernet POWERLINK 工業乙太網路協定,能搭配任何處理器、協定、以及堆疊。

運動控制器

運動控制器提供處理引擎,由引擎產生的PWM訊號驅動電源半導體元件,以及接收電流與位置回饋訊號,藉以控制馬達速度與扭力。需要強固、高環境、高功率密度電源管理解決方案來為控制器供電,控制器通常為FPGA或處理器,擁有可選配的電源供應排程與電源遙測功能。Analog Devices的 Power by Linear™ 電源管理 IC與電源模組提供理想的基礎,為現今與未來各種智慧運動應用供應電源。運動控制器通常位於中央機架,需要與編碼器進行長距離通訊。為此ADI的隔離與非隔離式RS-485收發器可用來執行序列通訊,將編碼器的位置回饋資訊傳到運動控制器。 ADM3066E這個±12 kV IEC ESD保護式全雙工50 Mbps RS-485收發器提供一個高頻寬、高環境溫度(攝氏125度)、強固通訊解決方案,為各種編碼器應用提供3 mm × 3 mm小型封裝尺寸元件。

參考資料

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  2. Shawn Fitzgerald, Daniel-Zoe Jimenez, Serge Findling, Yukiharu Yorifuji, Megha Kumar, Lianfeng Wu, Giulia Carosella, Sandra Ng, Robert Parker, Philip Carter, and Meredith Whalen. "IDC FutureScape: Worldwide Digital Transformation 2021 Predictions." IDC, October 2020.
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