Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Projektowanie aplikacji przemysłowych

Co inżynierowie muszą wziąć pod uwagę przy projektowaniu zaawansowanych aplikacji IoT przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach? Innowacje, takie jak AI, IoE i IIoT, poszerzają zastosowania inteligentnych aplikacji i przenoszą je także w trudne środowiska przemysłowe, o których wcześniej nie myślano. Jest to obce terytorium dla wielu elektroników, którzy nie mają doświadczenia w projektowaniu rozwiązań do ekstremalnych warunków.
Article Image

W automatyce fabryk i przemyśle ciężkim, takim jak ropa i gaz, wibracje, ekstremalne temperatury, chemikalia i płyny oddziałują na systemy elektryczne. Wzmocnione aplikacje wymagają innego rodzaju komponentów niż tradycyjne rozwiązania. Standardowe podejścia do łączności nie mają zastosowania w trudnych warunkach, w których stawka może być zbyt wysoka, aby ponieść porażkę. Inżynierowie projektujący muszą uwzględnić czynniki środowiskowe już przed etapem projektowania, wybierając produkty o odpowiednich kwalifikacjach i ocenach, aby zapewnić ochronę cennego sprzętu i personelu.

Chociaż nie można zbadać potrzeb całego ekosystemu komponentów IIoT, skupienie się na kilku kluczowych blokach konstrukcyjnych aplikacji da inżynierom dobre wyczucie, jakie dostosowania będą musieli wprowadzić w swoich projektach.

Złącza

Dobrym punktem wyjścia są złącza, ponieważ są one podstawowymi komponentami większości aplikacji IIoT. Złącza powinny być zaprojektowane tak, aby niezawodnie przesyłały dane i dostarczały zasilanie w najbardziej wymagających warunkach. Niezależnie od tego, czy są to złącza HDMI, RJ45, RJ11, światłowody, złącza typu board-to-board czy inne, kluczowymi wyzwaniami są:

  • zapobieganie wnikaniu kurzu i cieczy,
  • odporność na nieostrożne obchodzenie się.

Wzmocnione złącza z IP67/1P68 lub uszczelnione od czynników środowiskowych złącza o stopniu ochrony IP69k są dobrym wyborem dla zapewnienia bezpiecznych połączeń w trudnych lub nieprzyjaznych środowiskach (fotografia 1). Są one szczególnie ważne w pomiarach podwodnych, rolniczych, zewnętrznych, sprzęcie medycznym i innych zastosowaniach, w których częste mycie lub narażenie na wilgoć stanowi zagrożenie operacyjne. Solidny mechanizm blokujący/sprzęgający jest niezbędny również w przypadku złączy przeznaczonych do trudnych warunków. Istnieje wiele różnych typów złączy – pierścieniowe, obrotowe, gwintowane i szybkozłącza, wszystkie z różnymi atrybutami do różnych typów zastosowań.

Fotografia 1. Złącze RJ45 o klasie odporności IP68

Czujniki

Aplikacje IoT zawierają duże macierze czujników do zbierania danych transmitowanych przez Internet do zasobów obliczeniowych w chmurze. Technologie wykrywania, takie jak akcelerometry, enkodery, czujniki temperatury, czujniki poziomu cieczy, liczniki cząstek i czujniki wilgotności, muszą działać niezawodnie w najbardziej ekstremalnych sytuacjach, aby zapewnić zarówno bezpieczeństwo publiczne, jak i ciągłość biznesową. Wyzwaniem dla projektantów jest to, że czujniki muszą być małe, odporne i wystarczająco energooszczędne, aby mogły być wszechobecne, a jednocześnie aby mogły zbierać i dostarczać dane w trudnych warunkach, takich jak ekstremalne upały, zimno, przeszywające wiatry, wysoka wilgotność, a nawet chemikalia.

Podobnie jak w przypadku złączy, integralność uszczelnienia jest niezbędna do niezawodnej pracy czujników w trudnych warunkach, więc należy upewnić się, że spełniają one przynajmniej normy IP. Warto również wziąć pod uwagę czujniki wykonane z materiałów odpornych na korozję (fotografia 2), szczególnie do zastosowań w zewnętrznych aplikacjach IoT. ISO sklasyfikowało kategorie korozyjności dla materiałów od C1 (dla bardzo niskiej korozyjności) do C5-I i C5-M (dla bardzo intensywnych zastosowań przemysłowych i morskich.

Fotografia 2. Czujnik zbliżeniowy w szczelnej i odpornej obudowie o klasie IP68

Przełączniki

Przełączniki elektryczne, takie jak przełączniki migowe, bistabilne, dotykowe i przyciskowe, muszą również zapewniać odporność chemiczną, ochronę przed wnikaniem i inne właściwości odporne w zastosowaniach IIoT. Szczelne przełączniki są wymagane, aby sprostać wyzwaniom ekstremalnych środowisk. Ponieważ przełączniki są komponentami mechanicznymi, które są często używane przez człowieka, są narażone na działanie siły oraz różnych płynów i zanieczyszczeń pochodzących zarówno z działalności człowieka, jak i środowiska, w którym działają. W zastosowaniach medycznych, w których urządzenia są stale przemieszczane, elementy mogą być narażone na kontakt z krwią i innymi płynami.

Przełączniki muszą być w stanie poradzić sobie z powtarzającym się wpływem operatorów na zbyt mocne naciskanie lub wyzwalanie elementu. Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, są materiały, z których składają się osłony przeciwbryzgowe przełączników (takie jak guma silikonowa lub guma etylenowo-propylenowa). Inżynierowie powinni również wziąć pod uwagę wymagania, takie jak typ zacisku, typ siłownika, ich stopień ochrony IP oraz to, czy przełączniki będą wymagały oświetlenia, co miałoby wpływ na wybór materiału.

Moc

W przeciwieństwie do wielu większych, połączonych systemów, produkty IoT często nie mają dostępu do głównego źródła zasilania i muszą zasilać się same, zazwyczaj przy użyciu metod harvestingu lub baterii. Zbieranie energii jest szczególnie obiecujące w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ wymagana energia jest pobierana ze środowiska. Może to być energia ruchu z urządzeń, paneli słonecznych, ciepła lub innych lokalnych źródeł energii.

Jednak zbieranie energii nie nadaje się do wszystkich zastosowań. Być może moc potrzebna do przetwarzania danych na urządzeniu jest zbyt duża, potrzeby technologii komunikacyjnej są zbyt wysokie lub po prostu nie ma dobrego źródła energii do zebrania. W takich przypadkach baterie są często największą częścią systemu czujników IoT, co daje inżynierom ograniczony wybór, którego z nich użyć. Dzięki szerokiej gamie procesorów, technologii komunikacyjnych i algorytmów oprogramowania system można jednak zaprojektować tak, by osiągnąć wymaganą żywotność. Często czujniki IoT są projektowane tak, aby działały przez cały okres eksploatacji na oryginalnej baterii, ponieważ koszty robocizny związane z wymianą mogą być bardzo wysokie.

Łączność

Oprócz trudnych czynników środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność i wilgotność, aplikacje IoT mogą być narażone między innymi na zakłócenia elektromagnetyczne spowodowane m.in. obwodami przełączającymi, narzędziami spawalniczymi i silnikami. W związku z tym inżynierowie muszą zastanowić się, jaki rodzaj łączności sieciowej najlepiej pasuje do ich aplikacji. Jeśli połączenie przewodowe jest najlepszym wyborem, inżynierowie muszą najpierw zająć się ochroną przed niechcianym rozłączeniem, w wyniku wibracji lub przypadkowej siły przyłożonej do podłączonego kabla. Standardowe technologie połączeń, takie jak Ethernet i USB, zostały zaprojektowane z myślą o środowiskach domowych lub biurowych, gdzie frustracja jest największym skutkiem nieoczekiwanego rozłączenia. Złącza przemysłowe zapobiegają takim zdarzeniom za pomocą mechanizmów blokujących, które zwiększają siłę trzymania standardowego złącza przemysłowego.

Oprócz wzmocnionych złączy USB lub RJ45 Industrial Ethernet, istnieje szereg znormalizowanych przemysłowych złączy wielostykowych zaprojektowanych do przesyłania sygnałów cyfrowych i analogowych wraz z zasilaniem do podłączonego czujnika.

Fotografia 3. Przykładowa antena RF wykonana jak płytka PCB

Gdy łączność bezprzewodowa ma sens, potrzebne będą innowacyjne rozwiązania antenowe, które są zarówno optymalne pod względem funkcjonalności radiowej, jak i mogą wytrzymać trudne warunki środowiskowe. W najprostszym przypadku antena może być zaprojektowana jako fragment obwodu drukowanego. Jednak rozwiązania radiowe zawierające anteny z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MiMo) stają się coraz częściej niezbędnym elementem łączności bezprzewodowej.

Niezależnie od przyjętego podejścia inżynierowie potrzebują wsparcia i wskazówek, gdy zajmują się blokiem RF swoich aplikacji. Anteny niestandardowe często mogą być najlepszym podejściem, które pozwala projektantowi wziąć pod uwagę użyte materiały, środowisko i obiekt, na którym antena jest zamontowana.

Końcowe przemyślenia

Niezależnie od tego, czy jest to ekstremalne ciepło, porywisty wiatr, czy toksyczne chemikalia – elektronika IoT jest bardziej podatna na uszkodzenia podczas pracy w trudnych warunkach. W ciężkich warunkach przemysłowych wibracje, ekstremalne temperatury, chemikalia i płyny odbijają się na urządzeniach IoT. Tylko jeden mały wyciek lub usterka w systemie elektrycznym może zatrzymać działalność rolniczą, uszkodzić pojazd wojskowy lub unieruchomić wóz strażacki.

Inżynierowie muszą uwzględnić czynniki środowiskowe przed etapem projektowania, wybierając produkty o odpowiednich kwalifikacjach i ocenach, aby chronić cenny sprzęt i personel.

Firma: Farnell
Tematyka materiału: projektowanie, AI, IoE, IIoT, IoT
AUTOR
Źródło
Elektronika Praktyczna wrzesień 2022
Udostępnij
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"