Sensoren und Prozessoren konvergieren für industrielle Anwendungen

Industrie 4.0 hat einen langen Weg zurückgelegt, seit das Schlagwort auf der Hannover Messe 2011 geprägt wurde. Die Reise in Richtung Smart Manufacturing geht weiter, aber was in den letzten Jahren wirklich einen Unterschied gemacht hat, sind der Aufschwung des Internets der Dinge (IoT) und das Aufkommen von Lösungen für künstliche Intelligenz (KI).

Hier ist es erwähnenswert, dass General Electric 2012 den Begriff Industrial Internet für eine Vielzahl von Industriegeräten geprägt hat, die intelligent verbunden sind, um Systeme zu schaffen, die überwachen, sammeln, austauschen, analysieren und wertvolle Erkenntnisse liefern können. Schließlich begannen die Vorstellungen von Industrie 4.0 und industriellem Internet zu konvergieren, was im industriellen IoT oder IIoT gipfelte.

Wie auch immer es heißt, Industrie 4.0 oder IIoT, das zugrunde liegende Ziel ist die Verwirklichung der vierten industriellen Revolution nach Dampfmaschine, Fließband und Informationstechnologie (IT) mit Hilfe modernster Elektronik. Es hebt die Fertigungs- und Prozessautomatisierung auf eine ganz neue Ebene, in der die Fabriken von morgen vernetzte Systeme aus Sensoren, Aktoren und Steuerungssystemen aufbauen, die alle über verschiedene Arten von Netzwerken über das Internetprotokoll (IP) verbunden sind.

Abbildung 1:Industrie 4.0 markiert die nächste Stufe der digitalen Transformation. (Bild:Texas Instruments)

Was die Industrie-4.0-Bewegung zudem beschleunigt, ist die Integration von KI-Anwendungen wie Fehlererkennung und -klassifizierung. Die Kombination von IoT- und KI-Technologien verändert die Art und Weise, wie Ingenieure Daten verwalten, Informationen verbreiten und Echtzeitentscheidungen in Produktionsumgebungen treffen können. Der Einsatz von Machine-Learning-Algorithmen und roboterbasierter Prozessabwicklung kann die moderne Fertigung mit enormen Einsparungen bei Kosten und Arbeitsstunden weiter optimieren.

Eine praktische Manifestation von Industrie 4.0 ist im Werk von General Electric in Schenectady, New York, zu sehen. Die Produktionsstätte für Natrium-Nickel-Batterien hat mehr als 10.000 Sensoren auf einer Produktionsfläche von 180.000 Quadratfuß installiert. Alle diese Sensoren sind über Highspeed-Ethernet verbunden.

Das bringt uns zu einem der grundlegenden Bausteine ​​von Industrie 4.0-Designs:vernetzte Sensoren.

Internet der Sensoren

Über kabelgebundene oder kabellose Verbindungen verbundene Sensoren bilden das Rückgrat eines Industrie 4.0- oder IIoT-Systems. Die Maschinendaten, die Sensoren an die Cloud liefern, können die Fertigung optimieren, Ausfälle vorhersagen, Wartungsarbeiten planen und Lagerbestände automatisch auffüllen.

Neu bei Sensoren im Bereich Industrie 4.0 ist die Konvergenz von Lokalisierung und Kommunikation zur Erstellung präziser Indoor-Ortungssysteme. Auf diese Weise können Fabriken Werkzeuge in Echtzeit überwachen und ihre Verwendung durch die Arbeiter verwalten, um die Effizienz, Sicherheit und Qualitätskontrolle an Montagelinien zu verbessern.

Diese hochpräzisen und standortbezogenen Systeme verwenden intelligente drahtlose Sensorlösungen. Nehmen Sie das Beispiel Smart Cab, das der Sensorhersteller Bosch in Zusammenarbeit mit dem CAB Concept Cluster (CCC) entwickelt hat . Es integriert Kameras und Drohnen in landwirtschaftliche Fahrzeuge und macht sie zu vernetzten Kontrollzentralen im Feld.

Abbildung 2:Über die intelligente Fertigung hinaus dehnt sich die Industrie 4.0-Initiative auf andere Bereiche wie die vernetzte Landwirtschaft aus. (Bild:CAB Concept Cluster)

Diese Lösung bietet Landwirten detaillierte Bilder der Erntebedingungen, die von Kameradrohnen aufgenommen und später in der Cloud verarbeitet werden. Die Kameradrohnen können auch eine Objekterkennung durchführen, um Landwirte vor lebenden Hindernissen wie Rehen zu warnen. Darüber hinaus können Landwirte bestimmte Funktionen ausführen, wie beispielsweise die Anpassung der Düseneinstellungen an das Wetter oder die Bodenbedingungen.

Bosch behauptet auch, die Produktivität seiner ABS/ESP-Bremssystemfertigung im Werk Blaichach verbessert zu haben, indem es die Bewegungen von Zylindern, die Zykluszeiten von Greifern sowie die Temperatur- und Druckniveaus im Herstellungsprozess erfasst. Die von RFID-Tags gesammelten Daten werden an riesige Datenbanken geliefert, die den internen Warenfluss digital abbilden.

Industrie 4.0-Chips

Halbleiterbauelemente sind ein weiterer wichtiger Bestandteil von Industrie 4.0- und IIoT-Designs. Dazu gehören Prozessoren für Edge-Computing, Speicher für die Datenspeicherung, Datenkonverter und kabelgebundene oder drahtlose Konnektivitätschips für Fernerkundung und Cloud-Plattform-Verbindungen.

Ein Beispiel ist die Sitara AM6x Prozessorfamilie von Texas Instruments (TI), die industrielle Gigabit-Kommunikationssubsysteme für Fabrikautomation, Motorantriebe und Netzinfrastruktur ermöglicht. Die Prozessoren basieren auf der Konvergenz von Ethernet und Echtzeit-Datenverkehr in einem einzigen Netzwerk. Und sie unterstützen mehrere Protokolle, einschließlich Time-Sensitive Networking (TSN), EtherCAT, Ethernet/IP und PROFINET

Abbildung 3:Ein Blockschaltbild des Multiprotokoll-Prozessors Sitara AM6548, der Gigabit-Durchsätze für industrielle Konnektivitätsstandards wie TSN bietet. (Bild:Texas Instruments)

Dieser TSN-fähige Prozessor integriert ein Dual-Core-Arm Cortex-R5F-basiertes Mikrocontroller-Subsystem (MCU), das in einem optionalen Lockstep-Modus betrieben werden kann und den Fehlerkorrekturcode (ECC)-Schutz sowohl für den On-Chip-Speicher als auch für externe Doppeldaten unterstützt. Rate (DDR)-Speicher. Diese Funktionen ermöglichen es dem Prozessor, die Sicherheit zu erhöhen und die Komplexität auf Systemebene für Anwendungen wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und mehrachsige Motorantriebe zu reduzieren.

Die Industrie 4.0-Plattformen verlangen zunehmend nach leistungsstarken SPS, ergänzt durch sichere Konnektivität und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMIs). Es ist auch zwingend erforderlich, dass der Formfaktor und die Prozesswertkette von SPSen schrumpfen und gleichzeitig die Anzahl der analogen und digitalen E/A-Kanäle erhöht wird. Diese SPS müssen neue E/A-Protokolle wie IO-Link . unterstützen .

Darüber hinaus ermöglicht das Aufkommen leistungsstarker System-on-Chip (SoC)-Lösungen die Erstellung digitaler Zwillinge, die virtuelle und physische Welten verbinden und Datenpools schaffen, die alle Schritte der industriellen Fertigung abbilden und miteinander verknüpfen. Diese cyber-physischen Systeme erstellen eine virtuelle Kopie der physischen Welt und machen so die Überwachung physischer Prozesse kostengünstiger und effizienter.

Fabrik der Zukunft

Industrie 4.0 verspricht mit durchgängigen Sensorlösungen und Dienstleistungen eine Renaissance in der Fertigung. Es ermöglicht intelligentere Entscheidungen, steigert die betriebliche Effizienz, verbessert den Ertrag, steigert die technische Produktivität und steigert die Unternehmensleistung erheblich.

Die Realität von Industrie 4.0 schreitet endlich voran, mit einer beschleunigten Verfügbarkeit von IoT-Sensoren, Big Data und KI-Anwendungen. Laut einem Bericht von Gartner Inc. waren im Jahr 2018 mehr als 6 Milliarden IoT-Geräte im Einsatz, und die Zahl soll bis 2022 auf über 20 Milliarden ansteigen.

Die Fabrik der Zukunft nimmt langsam, aber stetig Gestalt an mit leistungsfähigeren Verarbeitungsknoten, automatisierteren Produktionsprozessen und intelligenteren Datenanalysetools, die in der Lage sind, riesige Mengen an Fabrikdaten nahezu in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren. Es wird Realität, eine IoT-Sensorlösung nach der anderen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwestersite Electronic Products:„IoT-Sensoren bringen Industrie 4.0 in den kommerziellen Fokus.“