IoT

Реальное использование IoT на производстве

Использование IoT в промышленности позволяет упростить и уменьшить стоимость обслуживания оборудования. В данной статье будет показано, как реализовать эти преимущества с помощью микросхем IO-Link
127
В избранное

В последнее время Интернет вещей (IoT) стал по-настоящему хайповой темой. Однако данная технология вызывает у меня изрядную долю скепсиса. В моем холодильнике Samsung есть встроенный Wi-Fi-модуль, который используется для связи с умным электросчетчиком. Так вот, мне кажется, что добавление  Wi-Fi-модуля в холодильник является нелепой идеей. Я не хочу, чтобы мой холодильник мощностью всего 200 Вт выключался во время пиковых нагрузок, чтобы сэкономить мне несколько центов за счет уменьшения потребления. Мне всего-навсего нужна «коробка с холодом», которая гарантирует сохранность продуктов.

Скептическое отношение к IoT

Я также скептически отношусь к использованию беспроводных сетей для связи отдельных IoT-узлов на производстве. Любому музыканту, использующему инструмент с аккумуляторным питанием, известно, что аккумулятор разряжается именно тогда, когда он больше всего нужен. Я однажды читал отчет, согласно  которому замена батареек на одном из заводов обходится в 150 долларов. Такие расходы объясняются достаточно просто: если разряжается элемент питания наиболее активного узла, то для гарантированной защиты производства от простоев выполняется замена батареек на всех оставшихся узлах.

Хуже всего то, что большинство систем на производстве являются «критически важными». Никто не хочет потерять данные из-за разрядившейся батарейки, точно также как никто не хочет потерять данные при замене элемента питания.

К счастью, осталось много компаний, которые игнорируют восторженную шумиху вокруг беспроводных решений IoT и тихо и последовательно внедряют промышленные электронные системы, которые обеспечивают реальные преимущества на заводском производстве. Большинство из этих систем используют проводное питание, а не батарейки и аккумуляторы.

Промышленный IoT – это реальность

Сухел Дханани, директор отдела Maxim Integrated по развитию бизнеса в промышленном и медицинском сегментах, говорит: «Промышленный IoT является реальностью и внедряется во многих отраслях. Он обеспечивает оптимизацию процесса производства и снижение затрат на обслуживание. Эти преимущества приводят к ускорению реальных инвестиций в промышленную инфраструктуру IoT, потому что такие вложения начинают незамедлительно окупаться». Он отметил, что на долю промышленного сектора приходится около трети бизнеса Maxim Integrated.

IoT обеспечивает появление интеллектуальных функций у конечного оборудования вплоть до датчиков и различных простейших механизмов. Другими словами, функции обслуживания и управления перепоручаются напрямую узлу, в то время как раньше подобные функции выполнялись централизованной системой обработки данных. Впервые я встретился с применением такого подхода в компании Echelon, которая производит системы управления для «умных зданий». Некоторые из систем использовали для обмена данными уже существующие линии электроснабжения. Поскольку в таких случаях пропускная способность канала связи оказывалась низкой, то не было смысла, например, применять обычные «глупые» термостаты, которые постоянно передают значение температуры центральному контроллеру. Вместо этого часть интеллектуальных функций отдали самому термостату, который передавал центральному контроллеру только информацию о своем состоянии. Подобные решения позволяют уменьшить объем трафика, увеличить количество датчиков и снизить число коллизий данных.

Господин Дханани рассказал о большом прогрессе, достигнутым компанией Maxim в направлении снижения габаритов и уменьшения энергопотребления промышленных контроллеров (рис. 1). В 2014 году компания разработала промышленный программируемый логический контроллер (ПЛК), в котором использовалось 75 микросхем и который занимал объем около 540 куб.см. В 2016 году, благодаря увеличению степени интеграции, количество микросхем сократилось до 28, а объем до 167 куб. см. ПЛК, выпущенный в 2018 году, занимает объем всего 12 куб. см и использует всего 12 микросхем, умещающихся на одной печатной плате.

Промышленные ПЛК становятся компактнее и потребляют все меньше энергии

Рис. 1. Промышленные ПЛК становятся компактнее и потребляют все меньше энергии

Господин Дханани также отметил: «Мы интегрируем в наших продуктах все больше различных функций, и параллельно с этим также ведем разработку инновационных технологий корпусирования, которые позволяют помещать в одном корпусе с ИС дискретные пассивные компоненты, такие как дроссели или даже трансформаторы».

Впервые я узнал о практической реализации таких решений, когда мой приятель начал работать в Enpirion. Эта компания занимается производством силовых модулей со встроенным дросселем. В дальнейшем эта компания были куплена Altera, которая затем была поглощена Intel. Представители линейки от Analog Devices и линейки Intersil от Renesas также имеют встроенные индуктивности и некоторые другие пассивные компоненты.

Стандарт IO-Link

IO-Link является одним из стандартов для промышленного IoT (рис. 2). Этот стандарт курирует та же группа, которая занимается стандартом PROFIBUS (Process Field Bus), впервые предложенным в 1989 году BMBF (немецкий департамент образования и исследований). Позднее он был принят Siemens, а затем стандартизирован. Точно так же стандарт IO-Link администрируется консорциумом промышленных компаний.

Стандарт IO-Link

Рис. 2. Стандарт IO-Link

Стандарт IO-Link используется для подключения датчиков и исполнительных механизмов к заводской информационной шине или к промышленной сети Интернет.

IO-Link – это стандарт связи и электроснабжения с максимальной длиной неэкранированного кабеля до 20 метров. Ведущее устройство IO-Link формирует напряжение питания 24 В с выходным током до 200 мА. Цифровые данные также передаются с помощью сигналов 24 В, что позволяет обеспечить высокую помехоустойчивость при использовании неэкранированного кабеля. Стандарт IO-Link определяет три скорости передачи данных: 4,8 кбод, 38,4 кбод и 230,4 кбод. Ведомое устройство IO-Link, например, датчик или актуатор, может использовать только одну скорость передачи данных, в то время как ведущее устройство IO-Link вначале пытается установить связь с максимальной скоростью, а затем понижает скорость до установления соединения.

Одним из преимуществ стандарта IO-Link является файл данных, в котором может содержаться множество рабочих параметров и другой полезной информации (рис. 3). Файл IODD (описание устройства ввода-вывода) может содержать: параметры связи; параметры устройства с диапазоном значений и значением по умолчанию, идентификационные, технологические и диагностические данные; данные устройства; текстовое описание; изображение устройства и даже логотип производителя.

Для каждого устройства Стандарт IO-Link определяет файл, который содержит полную информацию об устройстве

Рис. 3. Для каждого устройства Стандарт IO-Link определяет файл, который содержит полную информацию об устройстве

Трансивер IO-Link

Для работы с IO-Link компания Maxim Integrated предлагает использовать интегральный трансивер MAX22513 (рис. 4). Трансивер предназначен для создания ведомых устройств IO-Link, его стоимость составляет $ 3,75 ( в партиях от 1000 штук). При разработке MAX22513 был объединен опыт, полученный компанией Maxim при разработке трансиверов RS-232 и RS-485, а также опыт, полученный в области разработки импульсных регуляторов и линейных стабилизаторов.

 MAX22513 – IO-Link-трансивер, который имеет встроенный понижающий преобразователь и два линейных стабилизатора

Рис. 4. MAX22513 – IO-Link-трансивер, который имеет встроенный понижающий преобразователь и два линейных стабилизатора

Трансивер может использовать встроенный понижающий DC/DC-регулятор для преобразования входного напряжения 2,5…12 В при токе до 300 мА. Встроенные линейные стабилизаторы формируют выходные напряжения 3,3 В и 5 В. Питание линейных стабилизаторов может осуществляться от выходного напряжения понижающего DC/DC-регулятора или напрямую от 24 В. Стоит отметить, что для нормальной работы линейного регулятора с выходным напряжением 5 В требуется входное напряжение не менее 6 В. Обратите внимание что выходное напряжение линейных регуляторов может колебаться в диапазоне 4,75…5,25 В и 3,1…3,3 В, поэтому не следует использовать их в качестве опорных источников напряжения.

Рабочая частота понижающего DC/DC-регулятора выбирается пользователем и составляет 921 кГц или 1,229 МГц. Огромным плюсом этого преобразователя является схема расширения спектра с джиттером частоты коммутации 7%. Расширение спектра упрощает задачу по прохождению испытаний на электромагнитную совместимость. MAX22513 способен выдерживать постоянные перенапряжения на входе питания в диапазоне ± 36 В, а также кратковременные выбросы 100 мкс в диапазоне –52…+65 В. Он также имеет защиту от перенапряжения ± 1 кВ, защиту от «горячей» замены и защиту обратной полярности. Диапазон рабочих температур для приемопередатчика составляет от -40 до 125 °C.

Чтобы упростить знакомство с возможностями промышленного IoT, Maxim предлагает референсную плату MAXREFDES171# (рис. 5). Пользователь может либо купить готовую плату (стоимость около $65), либо скачать производственные файлы с сайта Maxim и изготовить плату самостоятельно. На плате размещен лазерный датчик расстояния VL53L1X от STMicroelectronics, использующий принцип измерения времени пролета (time-of-flight, ToF). Он позволяет измерять расстояния до 400 см и поддерживает наиболее популярные коммуникационные интерфейсы, в том числе SPI, UART и I2C. Диапазон рабочих температур для датчика составляет от -20 до 80 °C. В качестве управляющего микроконтроллера референсной платы выступает Maxim MAX32660 с процессорным ядром Arm Cortex-M4 и аппаратной поддержкой вычислений с плавающей запятой (FPU).

Референсная плата MAXREFDES171#

Рис. 5. Референсная плата MAXREFDES171#

Чтобы в максимально короткие сроки разобраться с особенностями создания приложений IO-Link, можно использовать референсную плату MAXREFDES171#, в которой применяется трансивер MAX22513, микроконтроллер MAX32660 с процессорным ядром ARM и лазерный датчик расстояния VL53L1X. 

MAXREFDES171# является ведомым устройством IO-Link. Это означает, что пользователь должен подключить его к ведущему устройству IO-Link, которое питается от источника постоянного напряжения 24 В. Если же требуется разработать ведущий контроллер IO-Link, то следует воспользоваться четырехканальной референсной платой MAXREFDES165# (рис. 6).

Внешний вид референсной платы MAXREFDES165#

Рис. 6. Внешний вид референсной платы MAXREFDES165#

Maxim также предлагает референсную плату MAXREFDES165#, которая представляет собой четырехканальный ведущий контроллер IO-Link. На рисунке также показана плата MAXREFDES171#. 

Промышленный IoT на практике

Господин Дханани привел пример реализации промышленного IoT, который был освещен в журнале Enterprise IoT Insights. В этом тематическом исследовании описано, каким образом компания Intel на своем производстве полупроводниковых компонентов организовала контроль работоспособности модулей фильтрации для вентиляторов (fan filter units, FFU). Модули фильтрации очищают воздух внутри промышленных машин. Они размещены повсеместно на производственном этаже. Компания Intel разместила акселерометр в верхней части каждого блока FFU, чтобы отслеживать изменения в работе вентилятора. Если акселерометр обнаруживает какие-либо аномальные вибрации, то интеллектуальный датчик отправляет предупреждение в отдел технического обслуживания о потенциальной неисправности.

Совсем недавно я получил пресс-релиз об использовании IoT в прессах для мусора (компакторах). Вначале я подумал, что это очередной хайповый проект для какого-то «дома будущего». Однако прочтя документ внимательнее, я понял, что речь идет о промышленных компакторах, разработанных Harmony Enterprises с использованием программного обеспечения от New Boundary Technologies и аппаратных решений от Eurotech.

Таким образом, преимущества IoT проявляются в первую очередь в промышленных приложениях. Именно поэтому мы, скорее всего, сначала увидим автономные дальнобойные грузовики, а уже потом получим возможность купить автомобиль с автономатическим управлением. Прекрасно, что в данном случае лидирует именно промышленный рынок, поскольку промышленность очень жестко реагирует на экономическую обоснованность любых нововведений. В результате использования IoT в промышленности данная технология станет более зрелой и избавится от большинства недостатков, прежде чем массово войдет в потребительский сегмент.

Источник: www.electronicdesign.com

Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTM4600EV#PBF
LTM4600EV#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 212515 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
DC/DC CONVERTER, 10A, 4600, LGA-104; Voltage Regulator Type:Step Down (Buck); Voltage, Input Max:20V; Voltage, Output Max:5V; Current, Output Max:14A;…
LTM4600EV#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4601EV#PBF
LTM4601EV#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 561816 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 20V, 12A Step-down Module Regulator with remote sense
LTM4601EV#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4600HVIV#PBF
LTM4600HVIV#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 685344 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 28V, 10A Step-down Module Regulator
LTM4600HVIV#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4600HVMPV#PBF
LTM4600HVMPV#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1881627 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 28V, 10A Step-down Module Regulator
LTM4600HVMPV#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4601AEY#PBF
LTM4601AEY#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1881629 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 12A, 28VIN DC/DC Module with PLL, Output Tracking and Margining
LTM4601AEY#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4601EY#PBF
LTM4601EY#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1881634 ИНФО PDF DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 12A 28V DCDC uModule: Track, PLL
LTM4601EY#PBF
-
Поиск
предложений
LTM4601AEY-1#PBF
LTM4601AEY-1#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 2333202 ИНФО PDF RD DT
Поиск
предложений
Switching Voltage Regulators 12A, 28VIN DC/DC Module with PLL, Output Tracking and Margining
LTM4601AEY-1#PBF
-
Поиск
предложений
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX32660GWE+T
MAX32660GWE+T
Maxim Integrated
Арт.: 2719237 ИНФО PDF AN RD DT
Поиск
предложений
Микроконтроллеры ARM CORTEX M4F 96MHZ ME11, WLP
MAX32660GWE+T
-
Поиск
предложений
MAX22513ATI+
MAX22513ATI+
Maxim Integrated
Арт.: 3229339 ИНФО AN RD DT
Поиск
предложений
Сенсорный интерфейс Dual Driver IO-Link Device Transceiver with EMC Protection and DC/DC
MAX22513ATI+
-
Поиск
предложений
MAX22513ATI+T
MAX22513ATI+T
Maxim Integrated
Арт.: 3229340 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
Dual Driver IO-Link Device Transceiver with EMC Protection and DC/DC
MAX22513ATI+T
-
Поиск
предложений
MAX22513AWJ+T
MAX22513AWJ+T
Maxim Integrated
Арт.: 3229341 ИНФО AN RD
Поиск
предложений
Dual Driver IO-Link Device Transceiver with EMC Protection and DC/DC
MAX22513AWJ+T
-
Поиск
предложений
Производитель: STMicroelectronics
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
VL53L1CXV0FY/1
VL53L1CXV0FY/1
STMicroelectronics
Арт.: 2729349 ИНФО RD DT
Доступно: 116 шт. 563,00
Датчики расстояния Long distance ranging Time-of-Flight sensor based on ST FlightSense technology
VL53L1CXV0FY/1 563,00 от 7 шт. 483,00 от 16 шт. 435,00 от 30 шт. 402,00 от 90 шт. 382,00
116 шт.
(на складе)

Сравнение позиций

  • ()