Inovațiile din domenii precum AI, IoT și IIoT oferă mai multă inteligență în mediile dure, rezultând aplicații industriale, care, altădată, nu s-ar fi crezut posibile. Totuși, acesta este un teritoriu străin pentru inginerii electroniști fără experiență în proiectarea soluțiilor pentru condiții extreme.
În automatizarea fabricilor și în industriile grele, precum industria petrolului și a gazelor naturale, vibrațiile, temperaturile extreme, substanțele chimice și fluidele afectează sistemele electrice. Aplicațiile robuste necesită un portofoliu de componente mult diferit față de soluțiile tradiționale. Abordările standard de conectivitate nu sunt aplicabile în medii dure, în care miza poate fi prea mare pentru a eșua. Inginerii de proiectare trebuie să țină cont de factorii de mediu înainte de etapa de proiectare, alegând produse cu calificări și conformități adecvate pentru a asigura protecția echipamentelor și a personalului.
Deși nu putem explora aici nevoile întregului ecosistem al componentelor IIoT, concentrarea pe câteva elemente esențiale ale aplicației va oferi inginerilor sfaturi importante de care trebuie să țină cont atunci când se pregătesc să dezvolte asemenea proiecte.
Conectoare
Un bun punct de plecare îl constituie conectoarele, deoarece acestea sunt componente fundamentale pentru majoritatea aplicațiilor IIoT. Conectoarele ar trebui să fie proiectate pentru a transmite date și a furniza alimentarea cu putere în mod fiabil, în cele mai exigente condiții. Indiferent dacă sunt HDMI, RJ45, RJ11, conectoare pentru fibră optică, conectoare placă-la-placă sau alte tipuri, provocările cheie constau în prevenirea pătrunderii prafului și lichidului, alături de capabilitatea de a rezista la o manipulare dură.
Conectoarele care asigură o etanșeitate foarte bună, conforme IP67/1P68 sau – pentru medii dinamice, conforme IP69k – sunt o alegere bună pentru asigurarea unor conexiuni sigure în medii dure sau ostile. Acestea sunt deosebit de importante pentru aplicații critice subacvatice, agricole, de măsurare în aer liber, echipamente medicale și alte aplicații în care spălarea frecventă sau expunerea la umiditate reprezintă o amenințare operațională.
Un mecanism robust de blocare/cuplare reprezintă o necesitate pentru conectoarele din mediile dure. Există multe și diferite tipuri de cuplare a conectoarelor, de exemplu cu inel, prin răsucire, prin filetare și cu deconectare rapidă, toate cu atribute diferite pentru diferite tipuri de aplicații.
Senzori
Aplicațiile IoT utilizează arii largi de senzori pentru a colecta date pentru a fi transmise pe internet către o resursă de calcul bazată pe cloud. Tehnologiile de detecție, precum accelerometre, codificatoare, senzori de temperatură, senzori de nivel al lichidului, contoare de particule sau senzori de umiditate trebuie să funcționeze în mod fiabil în cele mai extreme situații pentru a asigura atât siguranța publică, cât și continuitatea activității. Provocarea proiectanților este dată de caracteristicile de care trebuie să dispună senzorii; aceștia trebuie să fie mici, rezistenți și cu un consum redus de putere, suficient pentru a permite o largă implementare, putând, în același timp să colecteze și să livreze date în medii dificile, cum ar fi căldură extremă, frig, vânturi puternice, umiditate ridicată sau chiar substanțe chimice.
La fel ca în cazul conectoarelor, integritatea etanșării este esențială pentru funcționarea fiabilă a senzorilor în condiții dificile, deci asigurați-vă că respectă standardele IP la minimum. De asemenea, luați în considerare senzorii fabricați din materiale rezistente la coroziune, în special pentru aplicații IoT care au loc în aer liber. ISO a clasificat categorii de corozivitate pentru materiale, acestea variind de la C1 (pentru corozivitate foarte scăzută) la C5-I și C5-M (pentru aplicații industriale și, respectiv, marine, cu corozivitate foarte mare).
Comutatoare
Comutatoarele electrice – cum ar fi comutatoare tactile, cu menținere, basculare, glisare, cu acțiune rapidă – trebuie să ofere, de asemenea, rezistență chimică, indice de protecție împotriva factorilor externi, precum și alte proprietăți rezistente pentru aplicațiile IIoT. Comutatoarele etanșe sunt, de obicei, necesare pentru a răspunde provocărilor mediilor extreme. Comutatoarele sunt sunt componente mecanice expuse la stresuri din mediul de lucru, ce includ variații extreme de temperatură, umiditate și substanțe chimice, acționări dese, vandalism și utilizarea continuă și grosieră caracteristică mediilor dure. De asemenea, gândiți-vă și la aplicațiile medicale, de exemplu, unde dispozitivele sunt deplasate constant și pot fi expuse sângelui și altor fluide.
Comutatoarele trebuie să poată gestiona impactul repetat al operatorilor care forțează prea tare componenta. Un alt factor care trebuie luat în considerare este materialul din care este fabricat elementul de acționare al comutatorului, cum ar fi cauciuc siliconic sau cauciuc etilen propilen, unde ușurința de curățare sau dezinfectare e obligatorie. Inginerii ar trebui să ia în considerare, de asemenea, cerințe precum tipul terminalului, tipul acționării, clasificarea IP sau dacă necesită iluminare, toate acestea influențând selectarea materialului.
Putere
Spre deosebire de multe sisteme conectate mai mari, de multe ori, produsele IoT nu au acces la o sursă principală de putere, aceastea trebuind fie alimentate de la surse alternative de energie sau de la baterii. Recoltarea energiei este deosebit de promițătoare pentru aplicațiile industriale, deoarece energia necesară este preluată din mediu, valorificând energia provenită de la deplasarea echipamentelor, de la panouri solare, căldură sau alte surse locale de energie.
Totuși, recoltarea energiei nu este potrivită pentru toate aplicațiile. Fie puterea necesară procesării datelor de pe dispozitiv este prea mare, fie nevoile tehnologiei de comunicație sunt prea exigente sau pur și simplu nu există o sursă bună de energie de recoltat. În aceste cazuri, bateriile sunt adesea cea mai importantă parte a unui sistem de senzori IoT, oferind inginerilor singura alegere pe care o pot utiliza. Cu o gamă largă de procesoare, tehnologii de comunicație și algoritmi software, totuși, sistemul poate fi proiectat pentru a atinge durata de viață necesară. Adesea, senzorii IoT vor fi proiectați să opereze pe întreaga lor durată de viață cu bateria originală, deoarece costul forței de muncă pentru înlocuirea bateriei ar putea fi prea mare.
Conectivitate
Pe lângă un mediu ostil, cum ar fi temperatura, umezeala și umiditatea, aplicațiile IoT pot fi supuse la interferențe electrice, provenite de la circuite de comutație, instrumente de sudură și motoare, printre altele. În consecință, inginerii trebuie să ia în considerare ce tip de conectivitate de rețea se potrivește cel mai bine aplicațiilor lor. În cazul în care conectivitatea prin cablu este cea mai bună alegere, inginerii trebuie să se ocupe mai întâi de protecția împotriva deconectării nedorite, ca urmare a vibrațiilor sau a forței accidentale aplicate cablului atașat. Tehnologiile standard de conectare precum Ethernet și USB au fost proiectate pentru medii casnice sau de birou, unde, cel mai grav rezultat al unei deconectări neașteptate este simplă enervare sau frustrare. Conectoarele din industrie previn astfel de rezultate prin utilizarea unor mecanisme de blocare, care măresc forța de reținere a conectorului industrial sau prin implementarea protecției la intrare.
Pe lângă conectorii USB sau RJ45 industriali și robuști, există o gamă de conectori standard multi-pin proiectați pentru a transmite către senzorul atașat atât semnale digitale și analogice cât și alimentarea cu energie.
Acolo unde este posibilă conectivitatea wireless, vor fi necesare soluții inovatoare de antenă, care să asigure funcționalitatea radio și să reziste, în același timp, condițiilor dure de mediu. La modul cel mai simplu, o antenă cu un singur element, de exemplu o antenă cip – este proiectată într-un circuit imprimat flexibil (FPC – Flexible Printed Circuit). Cu toate acestea, soluțiile radio, care utilizează antene cu intrări și ieșiri multiple (MiMo – Multiple-input, Multiple-output) devin un element esențial al conectivității wireless.
Indiferent de abordarea adoptată, inginerii au nevoie de asistență și îndrumare atunci când proiectează partea RF a aplicațiilor lor. Antenele personalizate pot fi adesea cea mai bună abordare, permițând proiectantului să țină cont de materialele utilizate, de mediu și de obiectul pe care este montată antena.
Concluzie
Fie că este vorba de condiții extreme de temperatură, de vânturi puternice sau de substanțe chimice toxice – dispozitivele electronice IoT sunt mai susceptibile la daune atunci când funcționează în medii dure. În condiții industriale grele, vibrațiile, temperaturile extreme, substanțele chimice și fluidele afectează dispozitivele IoT. O mică scurgere sau defecțiune într-un sistem electric poate opri operațiuni agricole, paraliza un vehicul militar sau imobiliza o mașină de pompieri. Inginerii trebuie să țină cont de factorii de mediu înainte de etapa de proiectare, alegând produse cu calificări și conformități adecvate pentru a proteja atât forța umană cât și echipamentele.
Autor:
Cliff Ortmeyer, Director Global Marketing Tehnic
https://ro.farnell.com