Figura 1: Diagrama bloc a modulului LBWA1ZV1CD-716 de la Murata Electronics.
Controlul, în particular când este implementat pe o cale programabilă sau “adaptivă”, se află în centrul sistemului de automatizare; nicăieri nu sunt beneficiile automatizării mai evidente decât în mediul industrial. Reacţia este o parte fundamentală a controlului, iar aducerea împreună a acestor două elemente este un concept pe care se bazează electronica embedded.
După cum poate confirma orice inginer, buclele de reacţie sunt esenţiale pentru orice sistem de control; capabilitatea de a măsura cantitativ o ieşire într-o buclă închisă ca rezultat al schimbării intrării (intrărilor), stă la baza controlului în numeroase aplicaţii. În cadrul aplicaţiilor electromecanice, senzorii sunt elemente importante în feedback şi control, iar analiza datelor pe care le generează reprezintă un pas evolutiv în automatizarea industrială.
Avantajul analizei datelor în sectorul financiar nu este ceva nou, dar faptul că analiza datelor industriale poate conduce la un câştig semnificativ în productivitate conduce acum la rapida evoluţie a IIoT (Internetului Lucrurilor Industrial).
Figura 2: WGM110A1MV1 Wizard Gecko.
Construirea unui ecosistem
Chiar şi ca o submulţime a extinsului Internet al Lucrurilor (sau a Internetului Tuturor, după cum mai este cunoscut) IIoT reprezintă încă o oportunitate masivă; o piaţă ce se aşteaptă să valoreze trilioane de dolari peste câteva decenii. Cât timp evoluează, implementarea sa este deschisă către interpretare şi oferă companiilor de orice mărime o şansă de a fi o parte a sa. Orice lucru care poate oferi un câştig de productivitate prin valorificarea puterii IIoT, va fi atractiv pentru companiile pentru care marjele de câştig sunt atent monitorizate.
În realitate, exploatarea totală a strategiilor IIoT necesită mult mai mult decât utilizarea unui senzor pentru a măsura uzura unui rulment sau debitul unui fluid. Ea va necesita un ecosistem de hardware, software şi servicii care, atunci când sunt aduse împreună, vor crea o buclă închisă capabilă de a oferi perspective semnificative în procesele industriale. Este posibil ca această nouă perspectivă să aducă în contact apropiat companiile mici şi agile cu furnizori tradiţionali mai mari, creând colaborări ce vor deveni firești datorită IIoT.
Un cadru de lucru IIoT va conţine numeroase elemente; de la colectarea de date şi stocarea sau transferul acestora, până la analiza şi formularea rezultatelor şi nu în ultimul rând, efectuarea acţiunii ca urmare a acestor rezultate. Companiile care pot beneficia cel mai mult de pe urma IIoT nu sunt în mod necesar cele mai bune locuri de implementare a acestui cadru de lucru; sarcina cade în schimb pe furnizorii ce caută să aducă valoarea IIoT către o gamă largă de clienţi. Este deja vizibil faptul că unele companii se repoziţionează pentru a oferi un cadru de lucru IIoT complet sau parţial. Electric Imp este un exemplu, ea oferind o platformă de conectivitate compusă din hardware (sau ‘noduri’), software (inclusiv un sistem de operare), servicii bazate pe cloud şi unelte de management. Unii dintre clienţii săi utilizează deja această platformă pentru a conecta în timp real date din industrii precum: refrigerare comercială, sisteme HVAC şi echipament de fabricaţie.
Figura 3: Diagrama bloc a ENW-89847A1KF PAN1760 de la Panasonic.
Conectivitatea wireless furnizează reacţia
În timp ce senzorii oferă abilitatea de a măsura aproape orice parametru din lumea reală, conectivitatea este aceea care furnizează reacţia într-un cadru de lucru IIoT. Conectarea unui echipament industrial, care este adesea mare, în medii provocatoare sau chiar în mişcare constantă, este dificilă. Există numeroase abordări bazate pe conexiune cu fir ale acestor situaţii, precum CAN, Ethernet Industrial sau RS232/422, dar toate au acelaşi dezavantaj al necesităţii unei conexiuni fizice. Într-un număr din ce în ce mai mare de aplicaţii, conectivitatea wireless s-a dovedit a oferi avantaje semnificative, dintre care cea mai importantă este aceea a flexibilităţii date de lipsa unei conexiuni fizice. Majoritatea protocoalelor wireless au fost concepute să ofere securitate şi robusteţe şi sunt capabile de a opera în aproape orice mediu. Produs în volume mari, datorate sectorului de consum, hardware-ul necesar pentru implementarea unei conexiuni wireless este acum disponibil la preţuri scăzute irezistibile, dând posibilitatea producătorilor de module să concureze cu costul conectivităţii bazate pe fire, dar oferind avantajele datorate soluţiei wireless.
Precum o platformă la cheie, Electric Imp oferă de asemenea elementele unei soluţii IIoT, inclusiv un modul Wi-Fi dezvoltat pentru a conecta nodurile IoT la serviciul său de cloud. Modulul inteligent LBWA1ZV1CD-716 este adus pe piaţă de Murata Electronics şi integrează un dispozitiv de conectivitate Wi-Fi de la Broadcom cu un microcontroler puternic bazat pe ARM Cortex-M4 de la STMicroelectronics.
Având o dimensiune de numai 10 mm × 7,9 mm × 1,25mm, modulul inteligent oferă de asemenea 23 de I/O, ce pot fi configurate ca intrări/ieşiri analogice, SPI, UART, I2C sau I/O digitale de uz general. Flexibilitatea intrărilor/ieşirilor modulului va permite să fie implementat ca un nod IIoT cu configuraţie minimală, deoarece este capabil de a găzdui o aplicaţie şi de a o conecta, de exemplu, direct la numeroşii senzori de acum echipaţi cu interfeţe I2C.
Abilitatea de a oferi acces integrat la serviciile sale bazate pe cloud, face din Electric Imp o opţiune competitivă la adoptarea unei strategii IIoT, cu toate că unele aplicaţii ar putea necesita o abordare mai deschisă, oferind abilitatea de conectare la o reţea diferită sau alt furnizor de servicii. În acest caz poate fi necesară dezvoltarea mai mult a middleware-ului necesar; din fericire dezvoltatorii au luat în calcul acest lucru şi oferă acum module cu SDK-uri (Software Development Kits), precum WGM110A1MV1 Wizard Gecko de la Silicon Labs.
Modulul este dezvoltat în jurul unui microcontroler bazat pe ARM Cortex-M3 şi al unui cipset Wi-Fi, astfel putând să ruleze aplicaţii IoT în mod independent. Cu toate acestea, pentru aplicaţii mai complexe, el este de asemenea capabil să opereze împreună cu un procesor gazdă (tipic mai puternic) prin interfeţe UART, SPI sau USB. În acest mod, modulul este controlat de gazdă utilizând un API de înalt nivel de la Silicon Lab, scris în C şi dezvoltat pentru a rula pe procesorul gazdă împreună cu aplicaţia IoT.
Figura 4: Modulul ERIC9-FCC.
De la W-LAN la PAN
În vreme ce Wi-Fi se poziţionează pentru a oferi o alternativă wireless la conectivitatea Ethernet/LAN, tehnologia din spatele reţelelor PAN (Personal Area Networks) îşi construieşte propria cale către sectorul industrial. Bluetooth, şi acum Bluetooth 4.0 (cunoscut ca Bluetooth Inteligent sau cu consum energetic redus, prescurtat simplu BLE) oferă o soluţie standard de a stabili conectivitate wireless peer-to-peer sau reţele realizate în scop particular pe distanţe scurte. Acest lucru este potrivit în special pentru aplicaţii unde datele sunt colectate periodic, utilizând de exemplu un terminal portabil. ENW-89847A1KF PAN1760 de la Panasonic este un modul inteligent BLE bazat pe TC35667 de la Toshiba.
Cu o dimensiune de numai 15,6 mm × 8,7 mm × 1,8 mm, el oferă o soluţie pre-certificată de adăugare a conectivităţii Bluetooth unei aplicaţii industriale noi sau existente. Dacă se adaptează conectivitate wireless unei instalaţii existente, după cum poate fi cazul multor aplicaţii industriale, atunci poate fi mai avantajos să se utilizeze un modul dedicat, care să poată fi controlat utilizând instrucţiuni simple de la un microcontroler sau procesor existent. În acest scenariu, transferul sau redezvoltarea întregii aplicaţii poate să nu fie necesară, ci poate fi posibilă înlocuirea unei conexiuni bazată pe fire cu un modul wireless cu un minim de efort de proiectare.
O bună soluţie poate fi, în acest caz, modulul Bluetooth RN4020-V/RM120 de la Microchip Technologies. Acest modul suportă un număr de servicii Bluetooth şi este controlat utilizând comenzi simple bazate pe ASCII trimise prin procesorul gazdă.
Soluţie sub-GHz
Operând în domeniul de frecvenţă de 2,4GHz al benzii ISM fără licenţă (Industrial, Ştiinţific şi Medical), modulele bazate pe Wi-Fi şi Bluetooth oferă acces la conectivitate wireless, făcând simplă proiectarea sau adăugarea în echipamente ce operează în mediul industrial. Cu toate acestea, uneori raza de acţiune necesară poate depăşi ceea ce oferă tehnologiile PAN şi W-LAN, în vreme ce lăţimea de bandă necesară poate fi încă relativ modestă (câteva sute de Byte de date transmise la intervale rare de timp). În aceste aplicaţii, o soluţie wireless ce operează sub valoarea de 1GHz poate fi mai aplicabilă.
Modulul ERIC9-FCC este componentă a gamei eRIC (“easy Radio Intelligent Controller”) de la LPRS. El operează în gama de 868MHz pentru utilizare în Regatul Unit al Marii Britanii şi în Europa, sau în gama de 915MHz pentru utilizare în SUA şi Canada, fiind de asemenea pre-certificat pentru cerinţele ETSI (Europa) şi FCC (SUA). În loc de a utiliza un protocol IEEE, LPRS a dezvoltat propriul său protocol easyRadio, ce vine integrat în modul împreună cu sistemul de operare easyRadio, care gestionează complexitatea rulării unei conexiuni wireless, lăsând utilizatorul final cu sarcina mai simplă, de a accesa funcţionalitatea, utilizând funcţii predefinite. Dispozitivele cu montare pe suprafaţă măsoară numai 15 mm × 20 mm × 2,2 mm şi includ criptare de date AES pe 128 biţi şi un senzor de temperatură integrat.
Concluzie
Internetul Lucrurilor Industrial face parte din conceptul mai larg de Internetul Tuturor, dar este o parte semnificativă; unii analişti sugerează că ar putea reprezenta mai mult de jumătate din ceea ce va fi considerat IoT în anii viitori.
Un prim avantaj al adoptării IIoT îl reprezintă creşterea productivităţii. Pe lângă aceasta, impactul posibil de a avea la îndemână aşa multe date poate oferi o îmbunătăţire exponenţială în eficienţa costurilor tuturor aplicaţiilor industriale viitoare. Primul pas în această călătorie va fi conectarea dispozitivelor existente la servicii bazate pe cloud, iar conectivitatea wireless sub formă de module pre-certificate se află în primele rânduri ale realizării acestui obiectiv. Cu o gamă largă de module disponibile şi, fără dubii, multe aflate în dezvoltare, înzestrarea aplicaţiilor dvs. industriale existente şi viitoare cu dispozitive pentru a beneficia de IIoT, ar putea fi aproape un proces de tip “Plug & Play”.
Despre autor:
Mark Patrick s-a alăturat Mouser Electronics în Iulie 2014, după ce a activat în conducerea departamentului de marketing la RS Components. Înainte de RS, Mark a petrecut 8 ani la Texas Instruments având sarcini de suport tehnic şi aplicaţii. El deţine o diplomă de masterat în Inginerie Electronică de la Coventry University.
Mouser Electronics
www.mouser.com