【導讀】將物聯網功能應用于晶圓廠，使用震動傳感器、無線收發器和無線組網協議棧，可提高生產工廠的事故預測性，管理人員甚至可以在家里收到通知，了解一些問題并制定相應的計劃。
幾年前，ADI將該公司位于Limerick的晶圓廠增加了物聯網功能——運用ADI的機器健康平臺，其中包括震動傳感器、無線收發器和無線組網協議棧，使用傳感器和傳感器數據提高生產工廠的事故預測性，管理人員甚至可以在家里收到通知，以及了解一些問題并制定相應的計劃。
但其中的無線組網技術并沒有公布具體的方案細節。近日，該公司再次公開宣布多起重要的無線傳感器網絡應用的成功案例，其中工業領域攻城略地收獲頗豐，這些應用均基于該公司的SmartMesh網絡技術。整理這些成功案例，我們可以看到無線傳感器網絡在工業應用中的獨特優勢，以及此類應用中未來的發展趨勢。
無線傳感器網絡如何簡化半導體制造？
這一次，ADI將其無線傳感器網絡技術再次應用到自己的晶圓廠。在ADI公司硅谷晶圓廠的晶圓片制造過程中，使用了超過175個特種氣體鋼瓶，如何密切地監測這些氣體鋼瓶以確保不間斷的氣體供應很重要，任何一次意外的供氣中斷都將導致價值數十萬美元的晶圓報廢、收入損失和在產品發運給客戶的過程中出現不可接受的延誤。為避免停機，工程師一天三次以手動方式記錄晶圓廠中每個氣體鋼瓶的壓力。該手工過程容易出現人為錯誤，而且維護成本高昂。
部署一個含有32個節點的SmartMesh IPM無線網格網絡，以監測中氣體燃料倉的氣體壓力。每個節點由一對AAL91鋰電池供電(電池壽命約為8 年)，因此安裝該網絡不需要進行額外的布線，也沒有不必要的停機。盡管面對著晶圓廠中的混凝土構造物和普遍存在的金屬結構，SmartMesh網絡仍然能正常工作。
在氣體燃料倉中，測量每個鋼瓶的罐體壓力和調節壓力，并通過SmartMesh網絡把這些讀數傳送至一個中央監測系統。每個SmartMesh 節點連接至一對鋼瓶，并通過無線網格網絡把數據發送至一個復蓋整幢建筑物的網絡服務器。在控制室里，晶圓廠的站點管理軟件工具顯示實時讀數并自動地計算運行率，以建立針對鋼瓶更換的常規時間表。此外，還設定了低壓力門限，以在鋼瓶早于更換時間表的進度安排前已達到低壓水平的情況下，向設備技術人員發出警示。警示信息顯示在控制室監視器上，并以“全天整周”的方式通過互聯網傳遞消息。
通過使用實時氣體消耗率，技術人員能夠精準地預測氣體鋼瓶什么時候將需要被更換，從而減少了由于過早更換鋼瓶所導致的未用氣體白白浪費。在日常運營中其好處還可擴展到提升效率的范圍以外。通過集中收集氣體使用數據并使工廠管理層容易獲得數據，該系統可提供趨勢分析，通過使讀數與特定的半導體晶圓工藝和幾何尺寸相關聯，可進一步確定以簡化工廠運營。這有助于在需求量攀升時優化晶圓廠的產能增長。
機場燃油庫如何實現安全監測？
燃油費用在航空公司運營支出中占比高達30%。這使得在大型機場有效管理和高效分配燃油供應成為了航空業的頭等大事。過去幾年在美國大型國內機場發生的幾次事故突出顯示了緊密監視和正確維護油庫設備的重要性。在第一次事故中，火災損壞了10多個油泵，導致15%離港航班延誤或取消。此外，在火災后離港的航班中，75%必須安排在另一個機場降落加油。就事故機場而言，這意味著需要運送燃油、建立臨時燃油系統、以及更換受損設備，因此增加了運營費用。在第二次事故中，由于燃油泄漏而導致了一場持續的設備火災，損壞了該停機坪的所有14個油泵和過濾器。燃油儲備量降低了50%，這對一個每天平均消耗160萬至200萬加侖的機場而言是個嚴重問題。
以無線方式監視機場加油系統，使維護團隊能夠識別并消除潛在的災難性油泵。
然而，管理機場的油庫是一項令人望而卻步的任務。管理過程涉及將燃油運輸到機場、把燃油存儲到油罐中、以及從油罐向飛機提供干凈且符合規格的燃油。油庫的機械設備需要始終保持在線，以確保安全和高效地為飛機提供服務。即使輕微的故障也有可能產生連鎖反應，影響飛機準時離港以及其他對航空公司運營而言至關重要的關鍵衡量指標。例如油泵故障和燃油泄漏等嚴重危及人員安全并導致損失的事故，這有可能導致必須關閉機場設施，并對環境造成負面影響。
這兩次事故的根本原因都可歸結為由于油泵設備老化引起機械故障。隨著時間推移，油泵的疲勞、振動和摩擦將油泵的溫度提高到了危險水平，導致高風險的火花和燃油點燃現象。航空業預測機械故障的方法是測量油泵的振動和溫度。然而，安裝成本和必須采用導線使得傳統的有線傳感器無法得到廣泛采用。
TDGTechnologies公司是一家專注于工業物聯網技術的方案提供商，該公司開發了“SmartHAWK”無線振動與溫度傳感器，用于機場油庫等至關重要和危險的場所。該無線解決方案采用長壽命鋰電池供電，能夠在由金屬和其他挑戰性結構配置組成的嚴酷環境中可靠運行，通過測量機器溫度(表示機械裁荷)和沿3個獨立軸(軸向、徑向和切向)的振動，單個電感器可全面測量一個油泵的機械劣化情況。
由于無線通信網絡必須無瑕疵和無需干預地運行，所以TDGTechnologies采用了SmartMesh嵌入式無線網格網絡，網絡經過現場驗證，能在嚴酷的工業應用中實現其高度可靠低功率運行。smartMesh技術使SmartHAWK無線振動和溫度傳感器能夠非常方便地安裝和操作，SmartHAWK發出的警報可以立即傳遞到任何移動設備，以加速資源部署，采取先發制人的措施，實現最佳機器維護效果。此外，SmartHAWK針對油泵等旋轉型設備為技術人員和設備操作人員提供實時和量化的健康狀態信息，具經濟效益地監視設備健康趨勢，使技術人員能夠決定是否安排或推遲預防性維護工作。
SmartHAWK無線振動和溫度傳感器在一個機場油庫中監視油泵振動和溫度。
在過去的三年時間內，TDGTechnologies已經在美國西南部的幾個機場油庫部署了SmartHAWK無線傳感器系統。每個地點的機場技術人員都建立了實時警報門限，以盡早指出關鍵油泵系統超出規格運行的情況。迄今為止，SmartHAWK監視的任何機場設備都未發生災難性設備故障。
為了簡化日常操作，機場設備管理人員正在利用實時數據記錄機器的監視基線、評估設備性能并主動地安排設備維護工作，以減輕機器故障，優化運營效率。在現已就位的無線網格網絡基礎上，設備管理人員計劃增加更多傳感器，以完成油泵健康狀況監視以外的工作，例如實時查看接收燃油的質量以及測量壓力、熱電偶、應變計和更換換能器，以監視燃油在油泵和油庫中的流動情況。
SmartHAWK無線監視解決方案正在幫助機場設備管理團隊主動維護關鍵加油系統，使系統很好地位于正常運行規格之內，避免機械火花和燃油點燃情況。此外，通過實現更加以數據為主導的決策過程，SmartHAWK系統可幫助提高效率和降低運營成本。使用SmartMeshIP無線通信技術使SmartHAWK傳感器能夠在油庫中的金屬和混凝土之間可靠通信，并作為網格網絡基礎設施，用于未來增加運營監視功能。
可靠性、部署便利性與低功耗是致勝工業無線傳感的關鍵
安全可靠性是所有工業應用的首要要求。在傳統的無線組網方案里可能使用公共的無線網絡比如4G網絡往上傳，導致可能需要一些基站信號比較高的成本，包括流量成本。或者選別的專用網絡比如ZigBee，但是其實ZigBee也好，其他的網絡也好，可靠性都不是很高，因為99.999%的可靠性傳統無線方案非常難實現的。在前面的晶圓廠應用中，在案例報告出爐前83天連續運行時間內，以99.999% 的可靠性傳輸超過2,600 萬個數據讀數。而TDGTechnologies已經在美國西南部的幾個機場油庫部署了SmartHAWK無線傳感器系統，自2014年12 月以來SmartHAWK監視的任何機場設備都未發生災難性設備故障。
SmartMesh采用的是WirelessHART協議，是一種收集和轉發周期性數據（雙向）的自組建網狀節點結構的網絡。每個SmartMesh傳感器網絡由若干個傳感器節點組成，其中一個節點和其它節點有所不同，為網絡管理員節點，用于安排整個網絡中各個節點的任務，監視和管理網絡性能并向主機應用程序發送數據。SmartMesh采用了“跳點技術”，即當傳感器網絡中有數據需要傳輸時，數據不是由數據源節點直接傳輸至目的節點，而是將數據傳輸給相鄰的節點，通過這種逐步傳遞的方法來將數據傳輸至目的節點。這樣設計的好處在于可以隨時增加新的節點，使得傳感器網絡更加靈活，具有更高的可擴展性。
此外，SmartMesh采用了跳頻的技術，當發現某個通道有干擾的時候會把通道的頻率從頻道1切換到頻道5。如果發現這個通道的干擾持續存在，沒辦法利用跳頻去解決的時候，SmartMesh技術會通過選擇別的通道和渠道把數據上傳到管理員節點，從而實現99.999%的高系統可靠性。 低功耗特性也非常重要，因為通常設施附近并沒有AC 插座或以太網插口。出于安全原因，工業建筑物通常是由混凝土墻搭建的，因而使得安裝新電線的成本太高。SmartMesh采用了同步時間表的方式，通過控制傳感器的工作周期，何時開始喚醒，何時休眠，從而降低功耗。傳感器節點按照時間表在規定的時間喚醒，檢查是否有任務需要完成，完成后節點轉入睡眠狀態，直到下一個工作時間點到來。這樣一來，傳感器節點就無需長期處于監聽狀態，事實上，大部分時間是處于睡眠狀態的，能最大限度地降低總體功耗。這種工作方式，是SmartMesh網絡中的傳感器節點在使用兩節AA電池的情況下，能維持一個傳感器節點工作長達5年甚至10年的重要原因。
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