Датчики и процессоры объединяются для промышленного применения

Индустрия 4.0 прошла долгий путь с тех пор, как это модное слово было придумано на Ганноверской ярмарке в 2011 году. Путь к интеллектуальному производству продолжается, но что действительно изменило ситуацию в последние годы, так это взлет Интернета вещей (IoT) и его появление. решений для искусственного интеллекта (ИИ).

Здесь стоит упомянуть, что в 2012 году компания General Electric ввела термин промышленный Интернет для обозначения множества промышленных устройств, интеллектуально подключенных для создания систем, которые могут отслеживать, собирать, обмениваться, анализировать и предоставлять ценную информацию. В конце концов, концепции Индустрии 4.0 и промышленного Интернета начали сближаться, достигнув высшей точки в промышленном IoT или IIoT.

Как бы это ни называлось, Индустрия 4.0 или IIoT, основная цель - это реализация четвертой промышленной революции после паровой машины, конвейерной ленты и информационных технологий (ИТ) с помощью передовой электроники. Он выводит автоматизацию производства и процессов на совершенно новый уровень, на котором заводы будущего будут создавать подключенные системы, включающие датчики, исполнительные механизмы и системы управления, все из которых связаны через различные типы сетей через Интернет-протокол (IP).

Рис. 1. Индустрия 4.0 знаменует новый уровень цифровой трансформации. (Изображение:Texas Instruments)

Что также ускоряет движение Индустрии 4.0, так это интеграция приложений искусственного интеллекта, таких как обнаружение и классификация неисправностей. Сочетание технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта меняет способы управления данными, распространения информации и принятия решений в реальном времени в производственных средах. Использование алгоритмов машинного обучения и обработки процессов на основе роботов может еще больше оптимизировать современное производство с огромной экономией затрат и рабочих часов.

Практическое воплощение Индустрии 4.0 можно увидеть на заводе General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк. На производственном предприятии по производству натрий-никелевых батарей установлено более 10 000 датчиков, разбросанных по производственным площадям площадью 180 000 квадратных футов. Все эти датчики подключены через высокоскоростной Ethernet.

Это подводит нас к одному из основных строительных блоков конструкции Индустрии 4.0:подключенным датчикам.

Интернет датчиков

Датчики, подключаемые по проводным или беспроводным каналам связи, составляют основу системы Индустрии 4.0 или IIoT. Машинные данные, которые датчики доставляют в облако, могут оптимизировать производство, прогнозировать сбои, планировать техническое обслуживание и автоматически пополнять запасы.

Новым в датчиках в области Индустрии 4.0 является конвергенция локализации и связи для создания точных систем определения местоположения внутри помещений. Это позволяет фабрикам отслеживать инструменты в режиме реального времени и управлять их использованием рабочими для повышения эффективности, безопасности, защиты и контроля качества на сборочных линиях.

Эти высокоточные системы с учетом местоположения используют интеллектуальные беспроводные сенсорные решения. Возьмем, к примеру, Smart Cab, которую поставщик датчиков Bosch разработал в сотрудничестве с CAB Concept Cluster (CCC) . . Он объединяет камеры и дроны в сельскохозяйственных транспортных средствах и превращает их в подключенные центры управления в полевых условиях.

Рис. 2. Помимо интеллектуального производства, инициатива Индустрии 4.0 распространяется и на другие области, такие как подключенное сельское хозяйство. (Изображение:CAB Concept Cluster)

Это решение предоставляет фермерам подробные снимки состояния сельскохозяйственных культур, сделанные дронами с камерой, а затем обработанные в облаке. Дроны с камерой также могут распознавать объекты, чтобы предупреждать фермеров о живых препятствиях, таких как олени. Кроме того, фермеры могут выполнять определенные функции, например регулировать настройки форсунок в соответствии с погодными или почвенными условиями.

Bosch также утверждает, что повысила производительность производства тормозных систем ABS / ESP на своем заводе в Блайхахе, Германия, за счет регистрации движения цилиндров, продолжительности цикла захватов, а также уровней температуры и давления в производственном процессе. Данные, собранные с помощью RFID-меток, доставляются в огромные базы данных, которые в цифровом виде отображают внутренний поток товаров.

Микросхемы Индустрии 4.0

Полупроводниковые устройства - еще один ключевой ингредиент в конструкции Индустрии 4.0 и IIoT. Сюда входят процессоры для периферийных вычислений, память для хранения данных, преобразователи данных, а также микросхемы проводного или беспроводного подключения для дистанционного зондирования и связи с облачной платформой.

Одним из примеров является Sitara AM6x . Семейство процессоров от Texas Instruments (TI), которое включает гигабитные подсистемы промышленной связи для автоматизации производства, приводов двигателей и сетевой инфраструктуры. Процессоры построены на объединении Ethernet и трафика данных в реальном времени в единой сети. И они поддерживают несколько протоколов, включая чувствительные ко времени сети (TSN), EtherCAT, Ethernet / IP и PROFINET

Рис. 3. Блок-схема многопротокольного процессора Sitara AM6548, который обеспечивает гигабитную пропускную способность для промышленных стандартов связи, таких как TSN. (Изображение:Texas Instruments)

Этот процессор с поддержкой TSN объединяет двухъядерную подсистему микроконтроллера (MCU) на базе Arm Cortex-R5F, которая может работать в дополнительном режиме блокировки и поддерживает защиту с помощью кода исправления ошибок (ECC) как для встроенной памяти, так и для внешней двойной передачи данных. скорость (DDR) памяти. Эти функции позволяют процессору повысить безопасность и снизить сложность системного уровня для таких приложений, как программируемые логические контроллеры (ПЛК) и многоосные моторные приводы.

Платформы Индустрии 4.0 все чаще требуют высокопроизводительных ПЛК, дополненных безопасным подключением и человеко-машинными интерфейсами (HMI). Также крайне важно, чтобы ПЛК сократились в форм-факторе и производственной цепочке, увеличивая при этом количество каналов ввода-вывода, как аналоговых, так и цифровых. Эти ПЛК должны будут поддерживать новые протоколы ввода-вывода, такие как IO-Link . .

Кроме того, появление мощных решений «система на кристалле» (SoC) позволяет создавать цифровых двойников, которые объединяют виртуальный и физический миры и создают пулы данных, которые отображают и связывают воедино все этапы промышленного производства. Эти киберфизические системы создают виртуальную копию физического мира и, таким образом, делают мониторинг физических процессов менее затратным и более эффективным.

Фабрика будущего

Индустрия 4.0 обещает возрождение производственных цехов с помощью комплексных сенсорных решений и услуг. Он способствует принятию более разумных решений, повышению операционной эффективности, повышению урожайности, повышению производительности труда и существенному повышению эффективности бизнеса.

Реальность Индустрии 4.0, наконец, начинает двигаться вперед с ускорением доступности датчиков Интернета вещей, больших данных и приложений искусственного интеллекта. Согласно отчету Gartner Inc., в 2018 году в отрасли насчитывалось более 6 миллиардов устройств Интернета вещей, и ожидается, что к 2022 году их число вырастет до более чем 20 миллиардов.

Завод будущего медленно, но неуклонно обретает форму с более мощными узлами обработки, более автоматизированными производственными процессами и более интеллектуальными инструментами анализа данных, способными обрабатывать и анализировать огромные объемы заводских данных почти в реальном времени. Это становится реальностью - по одному сенсору Интернета вещей за раз.

>> Эта статья была первоначально опубликована на нашем дочернем сайте «Электронные продукты»:«Датчики Интернета вещей превращают Индустрию 4.0 в коммерческую направленность».