几年前,ADI将该公司位于Limerick的晶圆厂增加了物联网功能——运用ADI的机器健康平台,其中包括震动传感器、无线收发器和无线组网协议栈,使用传感器和传感器数据提高生产工厂的事故预测性,管理人员甚至可以在家里收到通知,以及了解一些问题并制定相应的计划。

但其中的无线组网技术并没有公布具体的方案细节。近日,该公司再次公开宣布多起重要的无线传感器网络应用的成功案例,其中工业领域攻城略地收获颇丰,这些应用均基于该公司的SmartMesh网络技术。整理这些成功案例,我们可以看到无线传感器网络在工业应用中的独特优势,以及此类应用中未来的发展趋势。

无线传感器网络如何简化半导体制造?

这一次,ADI将其无线传感器网络技术再次应用到自己的晶圆厂。在ADI公司硅谷晶圆厂的晶圆片制造过程中,使用了超过175个特种气体钢瓶,如何密切地监测这些气体钢瓶以确保不间断的气体供应很重要,任何一次意外的供气中断都将导致价值数十万美元的晶圆报废、收入损失和在产品发运给客户的过程中出现不可接受的延误。为避免停机,工程师一天三次以手动方式记录晶圆厂中每个气体钢瓶的压力。该手工过程容易出现人为错误,而且维护成本高昂。

ADI-F1-20180323

部署一个含有32个节点的SmartMesh IPM无线网格网络,以监测中气体燃料仓的气体压力。每个节点由一对AAL91锂电池供电(电池寿命约为8 年),因此安装该网络不需要进行额外的布线,也没有不必要的停机。尽管面对着晶圆厂中的混凝土构造物和普遍存在的金属结构,SmartMesh网络仍然能正常工作。

在气体燃料仓中,测量每个钢瓶的罐体压力和调节压力,并通过SmartMesh网络把这些读数传送至一个中央监测系统。每个SmartMesh 节点连接至一对钢瓶,并通过无线网格网络把数据发送至一个复盖整幢建筑物的网络服务器。在控制室里,晶圆厂的站点管理软件工具显示实时读数并自动地计算运行率,以建立针对钢瓶更换的常规时间表。此外,还设定了低压力门限,以在钢瓶早于更换时间表的进度安排前已达到低压水平的情况下,向设备技术人员发出警示。警示信息显示在控制室监视器上,并以“全天整周”的方式通过互联网传递消息。

通过使用实时气体消耗率,技术人员能够精准地预测气体钢瓶什么时候将需要被更换,从而减少了由于过早更换钢瓶所导致的未用气体白白浪费。在日常运营中其好处还可扩展到提升效率的范围以外。通过集中收集气体使用数据并使工厂管理层容易获得数据,该系统可提供趋势分析,通过使读数与特定的半导体晶圆工艺和几何尺寸相关联,可进一步确定以简化工厂运营。这有助于在需求量攀升时优化晶圆厂的产能增长。

机场燃油库如何实现安全监测?

燃油费用在航空公司运营支出中占比高达30%。这使得在大型机场有效管理和高效分配燃油供应成为了航空业的头等大事。过去几年在美国大型国内机场发生的几次事故突出显示了紧密监视和正确维护油库设备的重要性。在第一次事故中,火灾损坏了10多个油泵,导致15%离港航班延误或取消。此外,在火灾后离港的航班中,75%必须安排在另一个机场降落加油。就事故机场而言,这意味着需要运送燃油、建立临时燃油系统、以及更换受损设备,因此增加了运营费用。在第二次事故中,由于燃油泄漏而导致了一场持续的设备火灾,损坏了该停机坪的所有14个油泵和过滤器。燃油储备量降低了50%,这对一个每天平均消耗160万至200万加仑的机场而言是个严重问题。

ADI-F2-20180323

以无线方式监视机场加油系统,使维护团队能够识别并消除潜在的灾难性油泵。

然而,管理机场的油库是一项令人望而却步的任务。管理过程涉及将燃油运输到机场、把燃油存储到油罐中、以及从油罐向飞机提供干净且符合规格的燃油。油库的机械设备需要始终保持在线,以确保安全和高效地为飞机提供服务。即使轻微的故障也有可能产生连锁反应,影响飞机准时离港以及其他对航空公司运营而言至关重要的关键衡量指标。例如油泵故障和燃油泄漏等严重危及人员安全并导致损失的事故,这有可能导致必须关闭机场设施,并对环境造成负面影响。

这两次事故的根本原因都可归结为由于油泵设备老化引起机械故障。随着时间推移,油泵的疲劳、振动和摩擦将油泵的温度提高到了危险水平,导致高风险的火花和燃油点燃现象。航空业预测机械故障的方法是测量油泵的振动和温度。然而,安装成本和必须采用导线使得传统的有线传感器无法得到广泛采用。

TDGTechnologies公司是一家专注于工业物联网技术的方案提供商,该公司开发了“SmartHAWK”无线振动与温度传感器,用于机场油库等至关重要和危险的场所。该无线解决方案采用长寿命锂电池供电,能够在由金属和其他挑战性结构配置组成的严酷环境中可靠运行,通过测量机器温度(表示机械裁荷)和沿3个独立轴(轴向、径向和切向)的振动,单个电感器可全面测量一个油泵的机械劣化情况。

由于无线通信网络必须无瑕疵和无需干预地运行,所以TDGTechnologies采用了SmartMesh嵌入式无线网格网络,网络经过现场验证,能在严酷的工业应用中实现其高度可靠低功率运行。smartMesh技术使SmartHAWK无线振动和温度传感器能够非常方便地安装和操作,SmartHAWK发出的警报可以立即传递到任何移动设备,以加速资源部署,采取先发制人的措施,实现最佳机器维护效果。此外,SmartHAWK针对油泵等旋转型设备为技术人员和设备操作人员提供实时和量化的健康状态信息,具经济效益地监视设备健康趋势,使技术人员能够决定是否安排或推迟预防性维护工作。

ADI-F3-20180323

SmartHAWK无线振动和温度传感器在一个机场油库中监视油泵振动和温度。

在过去的三年时间内,TDGTechnologies已经在美国西南部的几个机场油库部署了SmartHAWK无线传感器系统。每个地点的机场技术人员都建立了实时警报门限,以尽早指出关键油泵系统超出规格运行的情况。迄今为止,SmartHAWK监视的任何机场设备都未发生灾难性设备故障。

为了简化日常操作,机场设备管理人员正在利用实时数据记录机器的监视基线、评估设备性能并主动地安排设备维护工作,以减轻机器故障,优化运营效率。在现已就位的无线网格网络基础上,设备管理人员计划增加更多传感器,以完成油泵健康状况监视以外的工作,例如实时查看接收燃油的质量以及测量压力、热电偶、应变计和更换换能器,以监视燃油在油泵和油库中的流动情况。

SmartHAWK无线监视解决方案正在帮助机场设备管理团队主动维护关键加油系统,使系统很好地位于正常运行规格之内,避免机械火花和燃油点燃情况。此外,通过实现更加以数据为主导的决策过程,SmartHAWK系统可帮助提高效率和降低运营成本。使用SmartMeshIP无线通信技术使SmartHAWK传感器能够在油库中的金属和混凝土之间可靠通信,并作为网格网络基础设施,用于未来增加运营监视功能。

可靠性、部署便利性与低功耗是致胜工业无线传感的关键

安全可靠性是所有工业应用的首要要求。在传统的无线组网方案里可能使用公共的无线网络比如4G网络往上传,导致可能需要一些基站信号比较高的成本,包括流量成本。或者选别的专用网络比如ZigBee,但是其实ZigBee也好,其他的网络也好,可靠性都不是很高,因为99.999%的可靠性传统无线方案非常难实现的。在前面的晶圆厂应用中,在案例报告出炉前83天连续运行时间内,以99.999% 的可靠性传输超过2,600 万个数据读数。而TDGTechnologies已经在美国西南部的几个机场油库部署了SmartHAWK无线传感器系统,自2014年12 月以来SmartHAWK监视的任何机场设备都未发生灾难性设备故障。

SmartMesh采用的是WirelessHART协议,是一种收集和转发周期性数据(双向)的自组建网状节点结构的网络。每个SmartMesh传感器网络由若干个传感器节点组成,其中一个节点和其它节点有所不同,为网络管理员节点,用于安排整个网络中各个节点的任务,监视和管理网络性能并向主机应用程序发送数据。SmartMesh采用了“跳点技术”,即当传感器网络中有数据需要传输时,数据不是由数据源节点直接传输至目的节点,而是将数据传输给相邻的节点,通过这种逐步传递的方法来将数据传输至目的节点。这样设计的好处在于可以随时增加新的节点,使得传感器网络更加灵活,具有更高的可扩展性。

此外,SmartMesh采用了跳频的技术,当发现某个通道有干扰的时候会把通道的频率从频道1切换到频道5。如果发现这个通道的干扰持续存在,没办法利用跳频去解决的时候,SmartMesh技术会通过选择别的通道和渠道把数据上传到管理员节点,从而实现99.999%的高系统可靠性。    低功耗特性也非常重要,因为通常设施附近并没有AC 插座或以太网插口。出于安全原因,工业建筑物通常是由混凝土墙搭建的,因而使得安装新电线的成本太高。SmartMesh采用了同步时间表的方式,通过控制传感器的工作周期,何时开始唤醒,何时休眠,从而降低功耗。传感器节点按照时间表在规定的时间唤醒,检查是否有任务需要完成,完成后节点转入睡眠状态,直到下一个工作时间点到来。这样一来,传感器节点就无需长期处于监听状态,事实上,大部分时间是处于睡眠状态的,能最大限度地降低总体功耗。这种工作方式,是SmartMesh网络中的传感器节点在使用两节AA电池的情况下,能维持一个传感器节点工作长达5年甚至10年的重要原因。

20160630000123