Modbus Cloud Connect de la Grandcentrix permite oricărui dispozitiv care rulează Modbus RTU să se conecteze wireless la cloud utilizând IoT celular. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
La sfârșitul anilor 1960, computerele digitale au adus primele schimbări importante în automatizarea fabricilor. Mașinile au marcat începutul unei ere a proiectării asistate de calculator (CAD), a unei producții omogene de componente complexe, a unei automatizări sporite cu ajutorul controlerelor logice programabile (PLC) și a unei productivități mai ridicate. Această perioadă a fost considerată a treia generație a revoluției industriale, după ce motoarele cu aburi au pus lucrurile în mișcare, iar mașinile-unelte, electrificarea și motorul cu ardere internă au stimulat productivitatea.
Următoarea fază a revoluției este acum în plină desfășurare: “Industrie 4.0” dă startul automatizării pe scară largă a practicilor tradiționale de producție și automatizare, utilizând comunicația generalizată de la mașină la mașină (M2M), tehnologia de calcul la periferie (edge computing) și puterea transformatoare a inteligenței artificiale (AI) și a învățării automate (ML).
Aceste tehnologii sunt reunite de Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT) și, la rândul său, conectivitatea sa stă la baza Industriei 4.0. Prin utilizarea rețelelor cu și fără fir pentru a conecta mașinile-unelte, PLC-urile, senzorii, calculul distribuit, computerele din fabrică și cloud-ul, fiecare parte a fabricii poate colecta și prelucra date și partaja informații cu fiecare altă parte, precum și cu internetul. Disponibilitatea acestei mine de informații permite inginerilor să revoluționeze modul în care se fabrică orice – de la cutii de conserve la mașini, de la șuruburi la telefoane inteligente și de la jocuri de puzzle la turbine cu reacție.
Reducerea discrepanțelor la nivelul fabricii
În timpul Industriei 3.0, deși proiectarea și producția beneficiau, deopotrivă, de avantajele automatizării digitale, nu exista nicio legătură între cele două – astfel că ele tindeau să opereze separat. Inginerii preluau rezultatele CAD de la biroul de proiectare și foloseau informațiile pentru a programa, manual, mașinile-unelte din fabrică. Dincolo de faptul că era o muncă laborioasă și predispusă la erori, această ruptură între disciplinele de proiectare și producție elimina orice șansă de a rafina designul unui produs pentru a-l face mai ușor, mai ieftin și mai rapid de fabricat.
În prezent, IIoT reduce decalajul dintre rețelele de tehnologie a informației (IT) utilizate pentru proiectare și rețelele de tehnologie operațională (OT) utilizate pentru automatizarea fabricilor. Prin intermediul comunicațiilor M2M, computerele de proiectare pot comunica cu mașinile-unelte pentru a le programa direct să producă piese. De asemenea, mașinile-unelte pot comunica cu computerele de proiectare pentru a le anunța unde sunt blocajele în procesul de fabricație, astfel încât produsele să poată fi reproiectate pentru o fabricație mai simplă, fără a compromite funcția.
Fluxul liber de informații permite inginerilor să proiecteze produse care pot fi fabricate rapid și ieftin, menținând în același timp calitatea și creând o cantitate minimă de deșeuri. De asemenea, permite mașinilor-unelte să transmită informații de fabricație biroului de proiectare pentru a se asigura că următoarea iterație a produsului include îmbunătățiri care simplifică și mai mult lucrurile pentru a crește productivitatea. De asemenea, un computer centralizat poate prelua toate datele de proiectare și fabricație pentru a găsi cea mai bună modalitate de a realiza produse viitoare care să dureze mult, să poată fi reparate cu ușurință și, la sfârșitul vieții lor, să fie ușor de reciclat.
Mixarea cablurilor și a conexiunilor fără fir
Ethernet-ul industrial este o tehnologie de rețea dovedită pentru automatizările industriale. Este robustă și fiabilă și acceptă o gamă de profiluri de automatizări industriale dovedite, cum ar fi EtherNet/IP, PROFINET și Modbus TCP. Tehnologia cablată va continua probabil să constituie „coloana vertebrală” a rețelei de comunicații din fabrică pentru anii următori.
Totuși, dezavantajul Ethernet-ului industrial este că extinderea infrastructurii poate fi costisitoare și disruptivă. Pe lângă instalarea componentelor electronice asociate pentru administrarea protocolului, este necesar ca în incinta fabricii să se monteze cabluri și conectori. Managerii ar putea justifica acest lucru atunci când instalează în fabrică noi mașini-unelte mari sau linii de producție, dar soluția nu este atât de practică pentru adăugarea de senzori care să monitorizeze mașinile și condițiile, să urmărească mișcarea pieselor sau a ansamblurilor în fabrică sau să transmită datele de proiectare și de fabricație către cloud.
Pentru aceste aplicații, tehnologiile wireless precum Bluetooth LE, Wi-Fi cu consum redus de putere și IoT celular (NB-IoT și LTE-M) sunt alternative mai bune. Protocoalele se bazează pe standarde internaționale și sunt actualizate constant pentru a oferi noi caracteristici pe măsură ce IIoT evoluează. Iar senzorii alimentați de la baterii prin aceste tehnologii wireless sunt relativ ieftini, compacți, ușor de instalat și configurat și pot funcționa luni sau ani de zile alimentați doar de baterii.
Bluetooth LE se pretează rețelelor mesh pentru a permite sutelor de senzori să comunice de la un capăt la altul al fabricii; tehnologia Wi-Fi cu consum redus de energie poate fi utilizată pentru a alimenta senzorii care necesită o lățime de bandă mai mare, cum ar fi camerele și este, de asemenea, utilă ca tehnologie de localizare pentru a ține evidența bunurilor; iar tehnologia IoT celulară oferă un protocol de comunicație pe distanțe lungi pentru gateway-urile destinate să colecteze informații de la rețelele de senzori și să le transmită către cloud.
Monitorizare atentă cu ajutorul ML
SiP-ul nRF9160 de la Nordic este o soluție IoT celulară completă cu cel mai redus consum de putere de pe piață – prelungind durata de viață a bateriei. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
Cheia pentru asigurarea productivității și calității este controlul fin al proceselor. Senzorii și camerele wireless pot monitoriza utilajele și măsura piesele finite pentru a detecta orice abateri minore ale produsului și pentru a corecta procesul înainte ca lucrurile să iasă din toleranță. Dincolo de procesul de fabricație în sine, mulți alți factori pot compromite productivitatea și calitatea, astfel încât există alți senzori care pot urmări aspecte precum vibrațiile, temperatura, umiditatea și calitatea aerului – toate acestea pot avea un impact negativ asupra unui proces de fabricație.
Dar o producție continuă și pe scară largă va genera un flux continuu de date de la senzori. Și multe dintre aceste date vor fi invariabile. Trimiterea acestora către computere pentru a fi analizate necesită mult timp, este costisitoare și consumă multă energie. În schimb, sistemele wireless SoC (Systems-on-Chip) și SiP (Systems-in-Package) de astăzi de la Nordic și de la alții încorporează procesoare embedded puternice și software ML pentru a le ajuta să identifice abaterile semnificative și să transmită numai acele informații pentru a fi luate măsuri ulterioare.
SoC-urile multiprotocol din seriile nRF52 și nRF53 de la Nordic, de exemplu, încorporează procesoare Arm Cortex-M4 (seria nRF52) și Arm Cortex-M33 (seria nRF53) și acceptă TinyML — o formă simplificată de ML care poate fi acceptată de senzorii compacți, alimentați de la baterii — de la Edge Impulse.
ML poate ajuta, de asemenea, la anticiparea problemelor care ar putea apărea din cauza factorilor externi – de exemplu, o creștere a umidității cauzată de sosirea lucrătorilor în timpul zilei, fluxul de aer de la ferestrele și ușile deschise și schimbările de temperatură de-a lungul zilei și nopții – precum și la ajustarea setărilor mașinii înainte ca acești factori să afecteze procesul. În sfârșit, senzorii de vibrații și acustici dedicați pot monitoriza mașinile-unelte pentru a verifica dacă acestea sunt în cea mai bună stare de sănătate. Orice vibrație neobișnuită, creștere a temperaturii sau creștere a consumului de energie poate fi raportată înainte de o defecțiune pentru o întreținere timpurie – prevenind astfel o întrerupere neplanificată și costisitoare a producției.
IIoT în acțiune
Prylada IoT Gateway de la TYMIQ permite colectarea datelor telemetrice de la o varietate de senzori, inclusiv temperatura, umiditatea, lumina, scurgerile de lichide, calitatea aerului și detectarea mișcării. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
Tehnologiile wireless IoT multiprotocol și celulare ale Nordic sunt utilizate pe scară largă pentru a echipa aplicațiile IIoT din întreaga lume. Iar produsele Wi-Fi cu consum redus de putere din seria nRF70 recent lansată de companie sunt proiectate pentru dispozitive de urmărire a activelor din fabrică.
De exemplu, Modbus Cloud Connect de la grandcentrix permite oricărui dispozitiv care utilizează protocolul Ethernet industrial, Modbus RTU, să se conecteze wireless la cloud utilizând IoT celular. Produsul utilizează SiP-ul nRF9160 cu consum redus de putere de la Nordic pentru conectivitate IoT celulară. Modbus RTU este un protocol utilizat pe scară largă în automatizările industriale pentru comunicații M2M care permite raportarea datelor de fabricație sau a problemelor de întreținere către un dispozitiv central sau un server.
Similar, Prylada IoT Gateway de la TYMIQ utilizează nRF9160 pentru conectivitate LTE-M între dispozitiv și o platformă cloud. Gateway-ul oferă un set de interfețe de conectare care permit colectarea datelor telemetrice de la o varietate de senzori, inclusiv temperatura, umiditatea, lumina, scurgerile de lichide, calitatea aerului și detectarea mișcării. Pentru supravegherea senzorilor și centralizarea datelor relevante, se utilizează un procesor Arm Cortex-M33.
MachineMailbox de la TZero utilizează SiP-ul nRF9160 cu procesor Arm Cortex-M33 atât pentru a gestiona și efectua algoritmi patentați complecși necesari mai multor senzori, cât și pentru a trimite datele către Cloud. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
TZero utilizează SiP-ul nRF9160 de la Nordic pentru a oferi conectivitate wireless pe distanțe lungi și putere de procesare pentru instrumentul său de conectivitate a mașinilor MachineMailbox. Potrivit companiei, soluția transformă orice produs într-o soluție conectată IIoT bazată pe senzori/mașină, fără configurare. Pentru a gestiona și efectua algoritmii proprietari complecși necesari mai multor senzori, precum și pentru a trimite datele în cloud, MachineMailbox se bazează pe SiP-ul nRF9160 cu procesor Arm Cortex-M33.
Destinat segmentului de întreținere predictivă, dispozitivul Atom de la Atomation este echipat cu SoC-ul nRF52840 de la Nordic și încorporează o varietate de senzori, ceea ce îi permite să monitorizeze variabilele mașinii, precum temperatura, vibrațiile, umiditatea, presiunea, distanța, înclinarea și impactul. Atom valorifică puterea de calcul a procesorului Arm Cortex-M4 al SoC-ului de la Nordic pentru a determina dacă senzorii detectează valori anormale înainte de a transmite datele.
IIoT va deschide drumul către Industrie 5.0
Dispozitivul Atom de la Atomation valorifică puterea de calcul a SoC-ului nRF52840 de la Nordic, cu procesor Arm Cortex-M4, pentru a determina dacă senzorii detectează valori anormale înainte de a transmite datele. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)
Atât Industrie 3.0, cât și Industrie 4.0 se bazează pe calculul digital larg răspândit pentru a stimula productivitatea. Diferența constă în faptul că primele computere au ajutat oamenii să ia decizii mai bune, în timp ce Industrie 4.0 utilizează aceleași informații (și multe altele) pentru a optimiza procesele, în mare parte fără intervenție umană.
Tehnologia wireless reduce costul de conectivitate al Industriei 4.0 și facilitează reconfigurarea rețelelor pe măsură ce fabrica se schimbă și se extinde. Iar economiile pe termen lung aduse de o mai bună proiectare și fabricare a produselor sunt semnificative pe măsură ce productivitatea crește și defecțiunile produselor scad.
Industrie 4.0 mai are câteva etape de parcurs. Totuși, pentru Industrie 5.0, sustenabilitatea este o perspectivă clară. Potrivit UE, următorul salt va duce industria „dincolo de eficiența și productivitatea ca obiective unice și va consolida rolul și contribuția industriei la societate, respectând în același timp, un aspect esențial, limitele de producție ale planetei”. Acesta este un obiectiv lăudabil, dar și o provocare uriașă. Asemenea provocărilor generate de Industria 4.0, IIoT ne va ajuta să rezolvăm și noile cerințe ale industriei.
Autor: Lorenzo Amicucci,
Business Development Manager
Nordic Semiconductor
Despre autor:
Lorenzo Amicucci locuiește în Oslo, Norvegia. El sprijină echipa de vânzări Nordic prin crearea de soluții inovatoare împreună cu principalii parteneri și clienți din diferite industrii. Înainte de a se alătura companiei Nordic, Amicucci a lucrat în industria telecomunicațiilor, cu accent pe echipamentele de rețea wireless (microunde), asistând clienți importanți în implementarea infrastructurii wireless critice. El a studiat la universități de renume mondial din Italia, China și Suedia și deține un masterat în inginerie electronică de la Politecnico di Milano, cu specializare în proiectarea circuitelor integrate analogice/RF.
