智慧機聯網於工廠防災監測系統之實務應用

摘要：自從德國發起的工業4.0引入虛實整合系統（Cyber Physical System, CPS）概念後，許多製造業者紛紛投入智慧工廠的轉型，並將現有的機台設備進行升級，以期改善少子化帶來的人力缺乏及增加產能，同時亦將廠區防災監測視為重點項目之一。本文將以一食品工業廠為例，介紹針對傳統製造產業設備資料的前端擷取技術，並經過整合有線與含有備援機制的可信賴無線Mesh網路系統進行資料的傳遞與蒐集。最後，透過數據整合與分析，建構一套智慧防災監測系統，提供業者能夠即時掌握廠區環境安全與災害預警通報，進而減少非預期之危害風險產生。
Abstract：After the introduction of Cyber Physical System (CPS) concept into Industry 4.0 that recently launched in Germany, many manufacturers have invested in the transformation of smart factories and also upgraded their existing machines and equipment in order to solve the manpower shortage problem that caused by low birthrate and requirement for production capacity increase. Also, disaster prevention and monitoring is being identified as one of the key items. This article takes a food industry factory as an example to introduce the front-end acquisition technology for traditional raw data from production machines, then transmit and collect data through the integration of wired and reliable wireless mesh network systems with backup mechanisms. Finally, through data integration and analysis, a set of intelligent disaster prevention monitoring system is established, which can provide operators with real-time monitoring and factory environmental safety and disaster warning notice, thereby reduce unexpected hazards and risks.
關鍵詞：資料擷取、網狀無線網路、智慧防災
Keywords：Data acquisition, Wi-Fi mesh, Intelligent disaster prevention

前言
德國工業4.0引入虛實整合系統(Cyber Physical System, CPS)概念後，未來工廠將具有資訊快速交換、智慧決策輔助、以及人力操作縮減等特性；而工廠端如何快速地反應於虛實整合的未來趨勢中，工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)的運用被視為至關重要的環節。在工業物聯網所架構的環境中，透過機器與機器(M2M)之間的互動和通訊，將數據加以處理、整合及分析後，不僅有益於設備保養或製程最佳化等產品生產方面，更可運用於廠房災害監測之工廠管理方面，使得業者在監控產線數據之餘，亦能即時掌握廠區環境安全，進而實現智慧製造之目的[1]。
在面對全球化高度競爭的同時，我國高齡與少子化導致人均產值成長趨緩之影響加劇，使得工業4.0轉型成為勢在必行之趨勢。然而，轉型成智慧工廠並非一蹴可幾，傳統工廠之網路系統一般採用乙太網路(Ethernet)建置，雖然該技術成熟且穩定，但於現有廠房建置時將面臨佈線不易且維護困難等問題，進而導致額外的成本[2]。因此，具有低成本和高適應性之無線網路技術近年開始被廣泛應用於工業物聯網之建置，其中又以具有自組修復及可信賴特性之網狀網路(Wi-Fi Mesh)最受矚目，未來有望成為智慧工廠網路佈建的主流[3]。
然而，許多應用工業物聯網之案場往往僅聚焦於產品或產線之監控及管理，而忽略監測廠區環境災害風險層面，使得智慧工廠之效益大幅降低。因此，若能於智慧工廠部署初期便妥善地規劃感測裝置及網路節點，將有助於快速且有效地擷取及整合前端感測數據至監測系統，並透過系統進行資料分析及異常診斷，以實現廠區環境安全監測與災害預警通報，進而奠定安全且永續的智慧工廠基礎。
本文將以一食品業工廠實例，說明如何基於Wi-Fi Mesh所架構之企業網路，建置一套全廠區整合性防災監測系統方案，如圖1所示，此工廠防災監測重點包含：設備監診、消防監測、環境監看、資材管理、能資源管理等。本文以穀倉、用電資訊和消防監測等實際場域建置經驗分享如何於工廠中建置智慧防災系統。食品廠之穀倉座落多處，且各處會不定期堆積穀物，一旦穀物堆疊過多或穀倉溫度較高時，便可能導致穀堆形成悶燒之狀態，而衍生難以預期之災害及損失。因此，穀倉加裝溫度感測器並使用PLC(Programmable Logic Controller)控制器，收集各點溫度數據且配置資料擷取與網路管理器，將相關數據整合至監測管理平台以利即時感知當前狀態。當溫度出現異常上升趨勢或偏高時，將立即通報相關人員進行處置。而透過廠區電氣室電盤之電壓、電流、用電度數等監測，不僅能查看當前各廠區是否可如期供電，亦能檢視各設備之用電趨勢，當有設備用電異常、線路老化或突波等不易察覺之情事發生時，廠區人員能即時接收到通知並前往查看，進而檢視產線之運行和延長設備使用壽命，以及防堵異常漏電等風險危害。而倘若該廠某區域出現消防警示時，除了會立即通報警衛室人員外，亦會同步顯示於監測系統提供示警區域及異常資訊，以利相關人員能夠立即掌握情勢，進而即時作出相對應之處置，以將危害及損失降至最小化。

圖1 智慧監測與防災系統示意圖

前端資料擷取
在工廠中數據收集與控制的設備眾多，常見如可程式邏輯控制器PLC、各式感測元件、A/D(Analog/Digital)類比轉數位轉換器與錶頭等，又依溫度、壓力、流量、電流、電壓、振動…等不同種類與品牌而造成資料擷取的方法與數據位址也會有所不同；此外，不同設備之間所使用的通訊協定亦可能會有所不同，如：資料擷取的介面主要有EIA-232、EIA-485、 EIA-422、Ethernet..等等。