Projektowanie bardziej inteligentnych aplikacji przemysłowych

Innowacje, takie jak sztuczna inteligencja (AI), Internet Rzeczy (IoT) czy przemysłowe IoT, to sposoby na przeniesienie dodatkowych, inteligentnych funkcji do miejsc, gdzie panują trudne warunki środowiskowe, dzięki czemu możliwe jest tworzenie aplikacji przemysłowych, jakie nigdy wcześniej nie wydawały się realne do wdrożenia. Jednakże to także zupełnie nowe zagadnienia dla wielu inżynierów-elektroników, którzy nie mają doświadczenia w projektowaniu rozwiązań przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach.

W automatyce przemysłowej oraz w ciężkim przemyśle (takim jak np. górnictwo naftowe), wibracje, ekstremalne temperatury, silne chemikalia oraz inne płyny odciskają swoje piętno na systemach elektronicznych. Aplikacje o podwyższonej odporności wymagają stosowania różniących się znacząco komponentów niż w przypadku tradycyjnych rozwiązań. Standardowe podejście do zapewnienia łączności nie ma zastosowania w trudnych warunkach środowiskowych, w których konsekwencje usterek są zbyt duże. Inżynierowie-projektanci muszą wziąć pod uwagę czynniki środowiskowe, zanim zabiorą się za właściwe projektowanie, tj. powinni dobrać produkty spełniające odpowiednie normy i parametry, zapewniając tym samym ochronę cennego sprzętu i pracowników z niego korzystających.

O ile w niniejszym artykule nie jesteśmy w stanie omówić potrzeb całego ekosystemu komponentów IIoT (Industrial Internet of Things), skoncentrowanie się na kilku kluczowych elementach składowych aplikacji pozwoli zaprezentować inżynierom zestaw dobrych praktyk związanych ze specyfiką modyfikacji, które powinni wprowadzić w swoich projektach.

Złącza

Dobrym punktem do rozpoczęcia dyskusji są złącza, gdyż stanowią one podstawowy element większości aplikacji IIoT. Złącza powinny być zaprojektowane i wykonane tak, by pozwalały na niezawodne przesyłanie danych i mocy nawet w najbardziej wymagających warunkach. Niezależnie czy mowa o HDMI, RJ45, RJ11, światłowodach, elementach łączących ze sobą płytki czy dowolnych innych, kluczowym wyzwaniem jest zapobiegnięcie dostania się do nich kurzu i płynów. Niezwykle ważne jest też by mieć pewność, że wybrane konektory wytrzymają niezbyt delikatne obchodzenie się z nimi.

Złącza o zwiększonej odporności spełniające wymogi stopnia ochronności IP67 lub IP68, albo nawet IP69K, w warunkach pracy dynamicznej (gdy złącze jest w ruchu) są na tyle dobrze uszczelnione, że stanowią adekwatny wybór do zabezpieczenia ważnych połączeń pracujących w trudnych czy wręcz „wrogich” warunkach. Mają krytyczne znaczenie pod wodą, w rolnictwie, w miernikach używanych na zewnątrz budynków, w sprzęcie medycznym oraz w innych zastosowaniach, gdzie częste mycie lub ciągłe narażenie na wilgoć są naturalne.

Odpowiednio niezawodny mechanizm łączenia czy nawet blokowania jest także niezbędny w przypadku złączy przeznaczonych do trudnych warunków środowiskowych. Istnieje wiele rożnych rodzajów systemów łączeniowych, w tym pierścieniowe wymagające obrotu do zablokowania ich w pozycji połączonej, gwintowane oraz z funkcją szybkiego rozłączania. Każde z nich ma inne cechy i przez to są one przeznaczone do odmiennych aplikacji.

Czujniki

W aplikacjach IoT stosuje się dużą liczbę czujników, które zbierają dane celem ich transmisji przez Internet – najczęściej do zasobów w chmurze. Metody używane przez czujniki, czy to w akcelerometrach, enkoderach, termometrach, miernikach poziomu, licznikach cząsteczek czy też sensorach wilgotności, muszą działać niezawodnie nawet w najbardziej ekstremalnych sytuacjach, zapewniając tym samym bezpieczeństwo otoczenia, jak i ciągłość działania systemów. Wyzwaniem dla projektantów jest rozmiar czujników – muszą być wystarczająco małe, odporne i energooszczędne, by można było rozmieścić ich bardzo dużą liczbę, a mimo to móc zbierać za ich pomocą dane, nawet w bardzo wymagających warunkach – wysokich temperaturach, na mrozie, silnym wietrze, przy wysokiej wilgotności, czy też w otoczeniu substancji chemicznych.

Tak jak w przypadku złączy, ciągłość uszczelnień jest kluczowa dla zapewnienia niezawodnej pracy czujników w trudnych warunkach środowiskowych. W związku z tym projektanci muszą mieć pewność, że wybierają komponenty spełniające odpowiednie standardy IP. Warto też rozważyć czujniki wykonane z materiałów odpornych na korozję, szczególnie jeśli rozważana jest aplikacja IoT przeznaczona do działania na zewnątrz budynków. Standardy ISO obejmują klasyfikację korozyjności środowisk, rozpoczynając od C1 (bardzo niska korozyjność), a kończąc na C5-I i C5-M – tj. na bardzo wysokiej korozyjności w środowisku przemysłowym lub w aplikacjach morskich (odpowiednio).

Przełączniki

Przełączniki elektryczne – czy to monostabilne, bistabilne, wciskane czy klikane – muszą być odporne na określone chemikalia, zabezpieczone przed dostępem płynów i pyłów oraz uodpornione na inne zagrożenia, by mogły być zastosowane w przemysłowym IoT. Uszczelnione przełączniki są zazwyczaj niezbędne, by spełnić wymagania ekstremalnych środowisk pracy. A ponieważ są komponentami mechanicznymi często wchodzącymi w interakcje z ludźmi, nierzadko są narażone na uderzenia i różnorodne płyny czy inne zanieczyszczenia, zarówno w wyniku działania ludzi, jak i ze względu na środowisko, w którym pracują. Rozważmy aplikacje medyczne, w których przykładowo urządzenia są ciągle przenoszone z miejsca na miejsce i mogą być narażone na kontakt z krwią czy innymi płynami.

Przełączniki muszą radzić sobie z powtarzalnym naciskiem operatorów, którzy często używają zbyt dużo siły. Pod uwagę należy też wziąć materiał, z jakiego wykonane są ochraniacze przełączników zabezpieczające je przed ochlapaniem – są one najczęściej wytworzone z gumy silikonowej lub EPDM (rodzaj polimeru). Inżynierowie muszą także uwzględnić rodzaje złączy, rodzaj aktuatora, ich parametry IP i kwestię, czy przełączniki będą wymagały podświetlenia. Wszystkie wymienione aspekty wpływają na wybór materiału wykonania komponentu.

Moc

W odróżnieniu od wielu większych urządzeń podłączanych do sieci, produkty IoT często nie mają dostępu do linii zasilającej i muszą same zadbać o energię do pracy, najczęściej korzystając z mechanizmów zbierania energii z otoczenia (tzw. energy harvesting), lub z akumulatorów czy baterii. Pobieranie energii z otoczenia to szczególnie obiecująca technika w przypadku zastosowań przemysłowych, ponieważ energię można pozyskiwać z ruchu komponentu, za pomocą paneli fotowoltaicznych, z ciepła lub w inny sposób.

Ale pobieranie energii z otoczenia nie sprawdzi się w każdym zastosowaniu. Może się okazać, że moc potrzebna do przetwarzania danych przez urządzenie jest zbyt wysoka, że wymogi wybranego interfejsu komunikacyjnego zbyt duże lub że po prostu w otoczeniu urządzenia nie ma sensownego źródła energii. W takich przypadkach to właśnie akumulatory lub baterie są często największym elementem całego urządzenia, ograniczając znacząco inżynierom swobodę projektowania. Jednakże mając szeroki wybór procesorów, technologii komunikacyjnych i algorytmów programowych, da się zaprojektować system tak, by osiągnąć pożądaną żywotność urządzenia pracującego na baterii. Bardzo często czujniki IoT będą zaprojektowane tak, by cały przewidywany czas pracy funkcjonowały właśnie na wbudowanej baterii, co wynika z faktu, że nierzadko czynności niezbędne do wymiany wbudowanego źródła energii są zbyt kosztowne.

Łączność

Oprócz kwestii wynikających z trudnych warunków, tj. temperatur i wilgoci, aplikacje IoT mogą być również narażone na interferencje elektryczne powstające przez przełączanie obwodów, narzędzia spawalnicze, silniki i inne maszyny. W konsekwencji inżynierowie muszą rozważyć, jaki rodzaj sieciowych systemów komunikacyjnych najlepiej odpowiada ich aplikacji. Jeśli stałe łącza przewodowe stanowią optymalny wybór, inżynierowie muszą zadbać o redukcję ryzyka niepożądanego rozłączenia systemów – czy to w wyniku wibracji, czy przypadkowego pociągnięcia za podłączony kabel. Standardowe rodzaje złączy, takie jak ethernetowe i USB, zostały zaprojektowane z myślą o środowisku domowym lub biurowym, gdzie najgorszą konsekwencją niespodziewanego rozłączenia jest frustracja użytkownika. Tymczasem złącza przemysłowe zabezpieczają przed przypadkowym rozłączeniem za pomocą odpowiednich zamków (mechanizmów blokujących), które zwiększają siły konieczne do zerwania połączenia lub po prostu blokują dostęp płynów i pyłów mogących rozłączyć systemy.

Oprócz złączy USB czy przemysłowego Ethernetu RJ45 o podwyższonej wytrzymałości, istnieje szereg standaryzowanych, wielożyłowych złączy przemysłowych opracowanych z myślą o przesyle danych cyfrowych i sygnałów analogowych wraz z mocą do podłączonego sensora.

Jeśli okaże się, że sensownie jest zastosować bezprzewodowy interfejs komunikacyjny, konieczne stanie się użycie innowacyjnych rozwiązań antenowych, które nie tylko optymalnie nadawałyby i odbierały sygnał radiowy, ale też wytrzymywały trudne warunki środowiskowe. W najprostszej postaci, jednoelementowa antena – o ile to możliwe – scalona, będzie wprojektowana w elastyczną płytkę drukowaną (FPC – flexible printed circuit). Jednakże rozwiązania radiowe oparte o sygnały przesyłane w obie strony wieloma torami (MIMO – Multiple Input, Multiple Output) wymagają adekwatnych anten i stają się na tyle popularne, że zaczynają być standardem w nowoczesnej komunikacji bezprzewodowej.

Niezależnie od podjętego podejścia, inżynierowie potrzebują wsparcia i wskazówek, gdy mierzą się z radiowym aspektem swoich aplikacji. Anteny projektowane na zamówienie nierzadko okazują się najlepszym podejściem, ponieważ pozwalają twórcom na wzięcie pod uwagę zastosowanych materiałów, warunków panujących w środowisku, a także obiektu, na którym antena będzie montowana.

Pozostałe kwestie

Niezależnie od tego, czy chodzi o ekstremalnie wysoką temperaturę, wichurę czy toksyczne chemikalia, elektronika stosowana w urządzeniach Internetu Rzeczy jest bardziej podatna na uszkodzenia, gdy pracuje w trudnych warunkach środowiskowych. W otoczeniu przemysłowym wibracje, skrajne temperatury, chemikalia i inne płyny wpływają na urządzenia IoT. Nawet mały wyciek lub usterka w systemie elektrycznym mogą zablokować pracę na roli, zastopować pojazd wojskowy, czy też unieruchomić wóz strażacki. Inżynierowie muszą wziąć pod uwagę czynniki środowiskowe, zanim zabiorą się za projektowanie, wybierając produkty spełniające odpowiednie normy, by chronić cenny sprzęt i personel z niego korzystający.

Cliff Ortmeyer
Global Head of Technical Marketing, Farnell