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設備監控專輯:踏出工業4.0的第一步、用預測取代預防

從系統建置到專業分析 業者協助企業導入設備監控系統

研華設備狀態監控軟體WebAccess/MCM可為企業縮短設備監控導入時程。研華

隨著工業4.0的推波助瀾下,大型企業要落實設備監控並非難事,在內部自動化部門的協助下便可完成。但若是規模以及資源不若大型企業的工廠,該怎麼落實設備監控呢?

在設備監控中的概念中,對於機台設備進行預知預防保養已經成為工業4.0不可或缺的一個重要的環節,可擺脫設備無預警故障而停機的窘境,或是零件仍可使用卻因定時更換而造成額外浪費。

觀察設備監控的實際導入,像是台積電此類大型企業,早在設備監控尚未被廣泛應用前,對於機台的維護很早便建立起預知預防保養的觀念,並且長時間投入研發資源,累積相關專業知識與技能。

現今市場上已具備相當多樣化的設備監控解決方案,業者可透過已整合軟硬體的完整解決方案模式,降低工廠導入設備監控系統的技術門檻。例如研華所推出的設備狀態監控軟體WebAccess/MCM、新漢的預知維護保養系統解決方案,或是國家儀器(NI)的機器狀態監控(MCM)解決方案等,都是諸如此類提供從軟硬體系統的導入到專業監測分析等的完整服務。

對設備監控系統有所需求的客戶,大致可分為兩種,其一如上述所提,大型企業已具備一定專業能力,對於內部開發人員來說,主要目的在於加速開發時程;而另一種則是資源缺乏,或現在才欲建立設備監控概念的企業,此類型的客戶不但缺乏系統開發人才,也欠缺資料分析專家。

在工業4.0的概念下,產業係以垂直整合的模式串連上下游,因此,導入任何一項新技術對於原產業來說都是一項全新的挑戰。設備監控解決方案業者為因應此需求,便開發出無需編寫程式的軟體套件,可因此大幅減少研發資源及人力成本,或採用圖形化導引的方式,讓使用者可在簡明易懂的配置下快速上手,此有助於後續投入更多資源專注於訊號的分析過程。

研華工業物聯網事業群產品經理吳昇蔚指出,透過完整的解決方案,即便使用者並無相關機台數據採集分析技能也能順利導入基礎監控方案,避免在建置系統的過程中耗去太多瑣碎時間,甚至部分軟體套件已具備基本資料整合和診斷分析功能,如時域、頻率分析和濾波資料取平均的功能,對於欠缺資料分析專家的企業而言,正符合所需。

現場專家是關鍵角色

完整之設備監控解決方案可讓使用者透過彈性化的開發工具降低初期技術門檻,但真正的重頭戲則在於,如何針對設備運作所產生的物理訊號進行分析與處理,並轉化為實際有效的數據資訊協助客戶落實預知預防保養,訊號分析說起來簡單,但實際執行卻相當不容易。

若欲精確分析各種物理訊號,這方面則需仰賴熟悉機台特性的現場專家協助操作。現場專家所扮演的角色事實上與過去工廠內的「老師傅」頗有雷同。現場專家除了可協助業者在硬體建置上提升作業效率外,在建模過程亦可協助其提升異常情況判斷的精確度。

從工廠實際導入的過程中觀察,吳昇蔚表示,在初期建置設備監控系統時,往往以建模過程最費時,因機台必需在24小時不停運作下,從良好的運作狀態遂生成異常情況,以便提供參數進行分析比對。建模的耗時可達1個月,甚至長達1年。

建模的過程類似於機台自我學習的概念,透過異常情形的模擬,訓練設備監控系統透過物理訊號的變化判斷設備異常的癥結,並進行故障排除,但隨著不斷地採集各種物理訊號並進行分析比對,數據資訊量越多,其對於異常情況判斷的準確度也會顯著提升。

雖然建模過程費時,不過萬事起頭難,如若順利完成建模階段,便可依標準作業流程將此模組迅速導入至其他設備,進而降低後續開發時間。建模可說是建置設備監控系統中一個極為重要卻又複雜的過程,非一般廠務人員能力所及。

因此,現場專家在此階段進場可協助其透過各種機械元件的結構、特性以及運轉中所產生的各種訊號進行分析與系統設定。現場專家的目的,便是確保業者在導入初期能夠快速建立起正確的模型,以防過程稍有錯差而後續需花更多時間回歸正軌。

依業別尋找最合適的監控設備

此外,在建置設備監控系統的過程中,除了在訊號的分析與處理方面需下工夫之外,硬體建置也是其重要的考量。依據業者需求,在監控設備的選擇上也會有所差,成本是其一因素,而最大的考量則是產業型態。

以研華針對振動量測所使用的訊號擷取卡來說,不同的擷取卡等級可對應不同產業需求,主要的差異在於是否可達到機台多組訊號同步取樣、以及解析度的精確,解析度越高的訊號擷取卡可偵測更細微的振動頻率。

達到機台訊號同步取樣取決於採樣的頻率和通道間的獨立,採樣頻率意指每秒可採集多少筆物理訊號,頻率越高代表採樣數越多,也代表著可供時域和頻域分析的點數越多,進而達到精準判斷,通道間的獨立則代表每個通道需要有同時獨立採集的能力。

相比採樣頻率,另一具有監測效益的則是解析度。解析度代表訊號變化的精細程度,解析度越高的擷取卡可採集到的物理訊號變化量就越精細,因此可偵測到非常細微的振動變化。

在工具機產業中,對於設備監控系統的要求通常希望只要能在異常前有充足的時間預作處理即可,因此對採樣頻率以及解析度的要求大多不那麼嚴苛,在監控設備的等級選擇上以可應付所需即可,通常採用入門款、成本較低的設備。但對於半導體產業來說,可就不是這麼回事了。

在半導體產業中,產線24小時不停運作,生產極為精密的電子元件,這不像工具機切削大型材料,對於半導體產業而言,任何一點細小的誤差都不被允許,因此在監控設備的選擇上極為重視即時、同步的概念,因而更傾向於採用可同步採集訊號的擷取卡為主,藉以避免時間的延遲性導致系統誤判。

吳昇蔚觀察,一般越精密的機台其內部零組件組成越複雜,因而在機台運作時所產生的振動頻率也越多,極便是一個微小零件所產生的細微振動,都有可能是造成設備異常的根源,因此諸如半導體產業精密機台,對於每種細微振動訊號的偵測要求非常精準,而對於擷取卡則要求高解析度的規格。

並非越高端的監控設備代表訊號偵測越精準,業者仍需依據本身的需求選擇監控設備才是適當的建置方式。但往往根據台灣過往的產業型態,最後拍板仍取決於成本考量,當然,越高端的監控設備價格越昂貴,這就得看業者是否願意花成本投入了。

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