Inteligentne sensory to najważniejsze komponenty w aplikacjach przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Umożliwiają odczytywanie dokładnych danych o warunkach środowiskowych w czasie rzeczywistym, a także przesłanie ich do komputerów działających lokalnie i w chmurze. Łącząc czujniki środowiskowe i inteligentne algorytmy w rozproszonej architekturze obliczeniowej, inżynierowie mogą radykalnie przekształcić procesy i umożliwić nowe podejście do automatyzacji i sterowania. Działające na komputerach w chmurze oprogramowanie analityczne może przeanalizować ogromne ilości danych, wyekstrahować przydatne informacje, i zastosować je do np. do konserwacji predykcyjnej, zmniejszenia zużycia energii i poprawy jakości.

Dzięki odpowiedniej architekturze i inteligentnym czujnikom, technologie IIoT nie są już zarezerwowane dla organizacji z wysokim budżetem. Nową generację inteligentnych czujników zaprojektowano tak, aby były łatwiejsze w instalacji i zarządzaniu. To sprawia, że małe i średnie niezależne firmy mogą teraz równie łatwo korzystać z technik oferowanych przez IIoT. Odpowiednie czujniki można kupić na rynku, gdyż wykorzystuje się je wewnątrz urządzeń w celu zapewnienia, że działają w granicach tolerancji. Jednak tradycyjnie pasowały one tylko do systemów zamkniętych i nie zapewniały łatwego dostępu do danych. To się jednak zmienia.

Nowe trendy w Przemyśle 4.0

Coraz większą popularność zdobywa trend opracowywania narzędzi i robotów w sposób bardziej otwarty, co pozwala łatwo dodawać do nich nowe możliwości i funkcje już po instalacji, co z kolei umożliwia bardziej elastyczne przepływy produkcji. Twórcy narzędzi również zdają sobie sprawę, że systemy muszą ze sobą współpracować, aby umożliwić elastyczność procesu produkcji. Na przykład wybrane narzędzie może dostosować lepkość farby, aby skompensować zmiany temperatury i wilgotności otoczenia. Dodatkowo urządzenia inspekcyjne mogą przekazywać informacje zwrotne na temat wykonanych procesów. W ten sposób można wykrywać maszyny, których parametry wykroczyły poza zakładaną tolerancję, zareagować na te problemy lub oznaczyć do konserwacji.

Ze względu na potrzebę elastyczności tradycyjne przenośniki, które zakładają stały przepływ materiału i trwającą pracę w zakładzie są wymieniane lub modernizowane, aby sprostać szybkim zmianom typów produkowanych urządzeń oraz planów rozkładów czasowych. Wymaga to czujników, które mogą monitorować obecność produktów nie tylko w poszczególnych urządzeniach, ale także w punktach pośrednich. Technologie takie jak wykrywanie pozycji, obrazowanie i RFID wykorzystuje się do śledzenia przepływu półproduktów, aby zapewnić niezawodne przemieszczanie się do następnego punktu. W ten sposób urządzenia otrzymują informacje kiedy czekać, a kiedy rozpocząć pracę. Czujniki środowiskowe dostarczają ważnych danych o wilgotności i temperaturze, które mogą wpływać na właściwości materiału. W rezultacie istnieje zapotrzebowanie na szeroki zakres typów sensorów. W połączeniu z łatwością instalacji zapewnia to, że odpowiedni czujnik można zastosować we właściwym miejscu i zapewnić niezawodną komunikację.

Kluczowe znaczenie łączności bezprzewodowej

Bardzo często zdarza się, że czujniki instalujemy w celu współpracy z sensorem, który jest już obecny w istniejących urządzeniach. Bardzo ważna jest wtedy łatwość instalacji urządzenia. Kluczową technologią spełniającą to wymaganie jest komunikacja bezprzewodowa. Technologie takie, jak Bluetooth, LoRaWAN i Sigfox znacznie ułatwiają instalację czujników dokładnie tam, gdzie są one potrzebne. Przykładem są fotoelektryczne kurtyny świetlne oddzielające różne komórki produkcyjne, które mogą znajdować się w otwartej części hali produkcyjnej. Konieczność zapewnienia stałej łączności sieciowej jest problemem zwłaszcza, jeśli późniejsze zmiany wymagają przesunięcia lub ponownego ustawienia kurtyny albo podobnych czujników fotoelektrycznych wykrywających obecność produktu. Dzięki łączności bezprzewodowej wystarczy tylko dostarczyć źródło zasilania, a energooszczędne czujniki mogą nawet polegać jedynie na bateriach.

Gotowe bramki do integracji brzegowej i chmurowej

Korzystając ze standardowych protokołów bezprzewodowych, inżynierowie mogą zapewnić zgodność z szeroką gamą standardowych bramek dostępowych. Te bramki zapewniają, że pakiety danych są odpowiednio sformatowane w ramkach IP w celu przekazywania do chmury lub komputerów brzegowych przeznaczonych do odbioru danych. Dzięki zastosowaniu standardowych protokołów można łatwo przeprowadzić aktualizacje funkcjonalności poprzez przesyłanie oprogramowania bezprzewodowo (OTA) lub instalację nowego sprzętu obsługującego ten sam protokół.

Inną zaletą stosowania inteligentnych czujników z obsługą łączności bezprzewodowej jest to, że wiele z nich zawiera własne mikrokontrolery, które mogą obsługiwać przetwarzanie i formatowanie danych przed transmisją. Tej technologii można użyć do odfiltrowania nieistotnych danych. Na przykład czujnik położenia powinien wyzwalać się tylko wtedy, gdy wykryje obiekt w swoim zasięgu. Nie musi więc przesyłać informacji o braku wykrycia przez połączenie bezprzewodowe do bramki. Pomaga to zminimalizować zbędny ruch i odciąża serwery.

Przetwarzanie może również pójść o krok dalej. Grupy inteligentnych czujników fotoelektrycznych mogą wykrywać wzorce w strukturze obiektu i wysyłać ostrzeżenie, jeśli nie są one zgodne z oczekiwaniami. Może to uruchomić bardziej zaawansowany czujnik obrazu, aby zbadał on obiekt przed uruchomieniem dalszych alertów. Wykrywanie wzorców odbywa się wtedy autonomicznie w inteligentnym czujniku, zamiast w centralnym procesorze sterownika logicznego (PLC). Zmniejsza to jego obciążenie i pomaga wydłużyć żywotność starszego sprzętu, który może być nadal potrzebny na hali produkcyjnej.

Takie inteligentne czujniki do wykrywania obiektów i obrazowania mogą znacznie poprawić elastyczność produkcji. Można je zdalnie zaprogramować z odpowiednimi parametrami za każdym razem, gdy wymagana jest zmiana produktu. Produkcję, kontrolę, pakowanie i wysyłkę można więc konfigurować nawet dla pojedynczych partii, co umożliwia dostosowanie kosztu produkcji masowej.

Inteligentne czujniki środowiska, maszyn i bezpieczeństwa

Inteligentne filtrowanie to tylko jedna z funkcji czujników Omega Layer N. Moduły zaprojektowano tak, aby były łatwe w instalacji i zarządzaniu. Czujniki można łatwo sparować z bramką Layer N za pomocą jednego przycisku. Pozwala to automatycznie łączyć się im z urządzeniem chmurowym Layer N. Jednocześnie zachowanie kompatybilności wstecznej ze starszymi urządzeniami jest możliwe przy użyciu modułów interfejsu Modbus.

Kluczowym atrybutem rozwiązania Layer N, który ułatwia integrację, a także zmniejsza obawy dotyczące sposobu zarządzania danymi, to zastosowanie funkcji bezpieczeństwa. Firma Omega zaprojektowała platformę Layer N tak, aby zapewniała środki bezpieczeństwa w każdej strefie między wykorzystywanymi inteligentnymi czujnikami, bramkami i chmurą. Skupienie się na bezpieczeństwie pomaga w uzyskaniu kolejnej zalety Layer N, jaką jest obsługa komunikacji na duże odległości. Duże kampusy i instalacje terenowe są szczególnie narażone na podsłuchiwanie bezprzewodowe. Korzystając z technologii rozproszonego widma częstotliwości (FHSS), Layer N może obsługiwać łącza bezprzewodowe o długości do 1,2 km dla czujników zasilanych za pomocą standardowych baterii AA. Jeśli dostępne jest zasilanie sieciowe za pośrednictwem kabla micro-USB, można zwiększyć zasięg do 3,2 km. Zapewnia to dostęp do danych dotyczących temperatury, wilgotności oraz innych mierzonych parametrów.

Kluczowe technologie

Technologie LoRaWAN i Sigfox zapewniają możliwość przesyłania danych na jeszcze większe odległości przed przekazaniem do bramki dostępowej. LoRaWAN ma również wbudowane szyfrowanie, co pozwala zapewnić pełną ochronę zarówno danych sieciowych, jak i użytkownika. Urządzenia takie jak bezprzewodowy czujnik monitorowania stanu WISE-2410 LoRaWAN firmy Advantech umożliwiają monitorowanie stanu maszyn w zakładzie poprzez pomiar wibracji i temperatury powierzchni nawet w odległych lokalizacjach. Czujnik może zdiagnozować anomalie za pomocą standardu monitorowania drgań ISO 10816, eliminując potrzebę tworzenia przez użytkowników własnych narzędzi analizy. Sensor ma stopnień ochrony IP66. Nadaje się do użytku w różnorodnych zastosowaniach takich, jak systemy HVAC, pompy, silniki i monitorowanie obiektów.

Wiele czujników korzysta obecnie z konstrukcji MEMS. Pozwala to nawet małym modułom łączyć wiele metod wykrywania i zapewnić kompleksowe mierzenie warunków środowiskowych. Przykład to moduł inteligentnego sensora środowiskowego 2JCIE-BU wyprodukowany przez firmę Omron Electronics. Oferuje zarówno łączność USB, jak i Bluetooth. Zawiera czujniki wilgotności, światła, ciśnienia barometrycznego, hałasu oraz przyspieszenia w trzech osiach. Przy połączeniu z czujnikiem lotnych związków organicznych (VOC) może również zapewniać ciągłe monitorowanie jakości powietrza w pomieszczeniu. Pozwala to zapewnić bezpieczne warunki produkcji.

W sytuacjach, gdy pożądana opcja nie jest dostępna na rynku, można wykorzystać gotowe płytki obliczeniowe i mikrokontrolery z komunikacją Bluetooth i Wi-Fi do stworzenia niestandardowych urządzeń, które mogą łączyć szeroką gamę czujników. Serwery brzegowe i moduły sprzętowe bramek również zapewniają możliwości personalizacji. Dobry przykład to Nordic Thingy:91 – łatwa w użyciu, zasilana bateryjnie, wieloczujnikowa platforma pracująca w komórkowych sieciach IoT z wykorzystaniem technologii LTE-M, NB-IoT i GPS. Jest idealny do tworzenia projektów na etapie weryfikacji koncepcji (PoC). Zawiera zintegrowane czujniki temperatury, wilgotności, jakości powietrza i ciśnienia, a także sensor koloru i światła. Thingy:91 jest zbudowany na bazie modułu SiP nRF9160 i jest certyfikowany dla szerokiego zakresu pasm LTE na całym świecie.

Łączymy wszystko razem

Zastosowanie inteligentnych czujników ma kluczowe znaczenie dla powodzenia przejścia społeczeństwa na Przemysł 4.0. Ten proces pozwoli organizacjom wydajniej zarządzać swoimi zakładami produkcyjnymi.

Możliwość lokalnego przetwarzania danych, ich formatowania i dostarczania bezprzewodowo umożliwi stopniowe i łatwe unowocześnienie systemów, zapewniając połączenie między starszym sprzętem a analityką w chmurze. Biorąc pod uwagę różnorodność zastosowań i typów czujników, ważne jest, aby wybrać dostawcę o globalnym zasięgu i doświadczeniu , co pozwoli zapewnić dostęp do tych produktów. Farnell nawiązał strategiczne partnerstwa z wieloma wiodącymi dostawcami technologii wykrywania, przetwarzania w chmurze i przetwarzania brzegowego. Dzięki temu może pomóc urzeczywistnić tę wizję nie tylko w dużych organizacjach, ale też w małych i średnich przedsiębiorstwach.