Как подключенные сенсоры и умные процессоры движут Индустрию 4.0

С своего дебюта на هانноверской ярмарке 2011 года Индустрия 4.0 эволюционировала от модного термина в осязаемую производственную революцию. Реальными драйверами являются взрыв Интернета вещей (IoT) и интеграция искусственного интеллекта (AI) в промышленные рабочие процессы.

В 2012 году General Electric ввел термин «промышленный интернет», описывающий сеть интеллектуальных устройств, которые мониторят, собирают, обмениваются, анализируют и доставляют действенные инсайты. Эта концепция вместе с Индустрией 4.0 в конечном итоге сошлась в Промышленный IoT (IIoT).

Независимо от ярлыка, цель остается прежней: увезти четвертую промышленную революцию, опираясь на паровой двигатель, конвейер и IT-основы. Умные заводы теперь переплетают сенсоры, актуаторы и системы управления через IP-базированные сети, создавая подключенную экосистему, усиливающую автоматизацию и принятие решений.

Рисунок 1: Индустрия 4.0 обозначает следующий уровень цифровой трансформации. (Изображение: Texas Instruments)

AI-приложения, такие как обнаружение неисправностей, предиктивное обслуживание и роботизация процессов, дополнительно ускоряют этот сдвиг. Алгоритмы машинного обучения обрабатывают данные сенсоров в реальном времени, позволяя инженерам быстрее принимать данные-ориентированные решения и достигать значительной экономии затрат и труда.

На объекте General Electric в Шенектади, штат Нью-Йорк — где производят натрий-никелевые батареи — более 10 000 сенсоров охватывают 180 000 кв. футов производственного пола. Все сенсоры подключены через высокоскоростной Ethernet, формируя плотную ткань данных, информирующую каждый этап производства.

В ядре любой системы Индустрии 4.0 находятся подключенные сенсоры.

Интернет сенсоров

Будь то проводные или беспроводные, сенсоры формируют основу архитектур IIoT. Данные, которые они стримят в облако, могут оптимизировать производство, предсказывать отказы оборудования, планировать обслуживание и даже запускать автоматическое пополнение запасов.

Современные сенсоры теперь объединяют точную локализацию с надежной коммуникацией, позволяя отслеживание инструментов и активов в реальном времени внутри помещений. Эта способность повышает эффективность, безопасность, защиту и контроль качества на сборочных линиях.

Например, «Smart Cab» Bosch — разработанный с кластером концепции CAB (CCC) — объединяет камеры и дроны для создания подключенного центра управления для сельскохозяйственных транспортных средств. Система захватывает высокое разрешение изображений посевов, обрабатывает их в облаке и выполняет распознавание объектов для оповещения фермеров о диких животных или препятствиях.

Рисунок 2: Индустрия 4.0 выходит за пределы производства в подключенное сельское хозяйство. (Изображение: CAB Concept Cluster)

На своем заводе в Блайхахе, Германия, Bosch повысил производительность в производстве тормозных систем ABS/ESP, отслеживая движения цилиндров, циклы захвата и температуры процесса через RFID-теги. Данные попадают в большие базы данных, отображающие внутренний поток товаров в реальном времени.

Чипы Индустрии 4.0

Полупроводники — edge-процессоры, память, преобразователи данных и чипы связи — необходимы для развертываний IIoT. Они обеспечивают локальную обработку данных, снижают задержку и защищают коммуникации.

Семейство процессоров Sitara AM6x от Texas Instruments примеряет этот тренд. Оно обеспечивает гигабитную промышленную связность для фабричной автоматизации, приводов двигателей и инфраструктуры сети, унифицируя Ethernet с реальным временем трафика в одной сети. Процессоры поддерживают множество промышленных протоколов, включая TSN, EtherCAT, Ethernet/IP и PROFINET.

Рисунок 3: Sitara AM6548 — мультипротокольный процессор, предлагающий гигабитную пропускную способность для TSN и других промышленных стандартов. (Изображение: Texas Instruments)

TSN-возможный процессор включает двухъядерный микроконтроллер Arm Cortex-R5F, который может работать в режиме lockstep и включает защиту ECC для on-chip и DDR памяти. Эти особенности повышают надежность и упрощают безопасность для ПЛК и многоосевых приводов двигателей.

Современные ПЛК требуют высокой производительности, безопасной связности и гибкого I/O. Они должны поддерживать новые протоколы вроде IO-Link и сокращаться в форм-факторе, расширяя I/O каналы — как аналоговые, так и цифровые — для удовлетворения растущих потребностей автоматизации.

Прогресс в технологии system-on-chip (SoC) также позволяет цифровые двойники, виртуальные реплики физических процессов, связывающие реальные данные с цифровыми моделями. Эти кибер-физические системы делают мониторинг и оптимизацию более экономичными и эффективными.

Завод будущего

Индустрия 4.0 возвещает ренессанс на заводском полу, предлагая end-to-end сенсорные экосистемы и сервисы данных, усиливающие более умные решения. Результат — более высокая операционная эффективность, улучшенные выходы, ускоренная инженерная производительность и более сильная бизнес-производительность.

Отчет Gartner 2018 года подчеркнул, что промышленный сектор размещал более 6 миллиардов IoT-устройств — цифра, прогнозируемая к превышению 20 миллиардов к 2022 году. Этот быстрый рост подчеркивает осязаемый сдвиг к полностью подключенным заводам.

Завод будущего возникает устойчиво, питаемый более способными вычислительными узлами, увеличенной автоматизацией и продвинутой аналитикой, способной поглощать и интерпретировать массивные потоки данных в почти реальном времени. Это больше не видение — это становится реальностью, одно сенсорное решение за другим.

>> Эта статья была первоначально опубликована на нашем партнерском сайте Electronic Products: «IoT сенсоры выводят Индустрию 4.0 в коммерческий фокус».