V kontekstu industrije 4.0 pomeni trajnostnost predvsem gospodarsko in okoljsko učinkovitost, točnost, funkcionalnost, udobje ter varnost. Možnosti, ki jih ponujajo sodobne komponente, so enako obsežne kot število samih komponent.
Rutronik GmbH
Avtor: Stephan Menze
Kaj je mogoče in smiselno kombinirati, predvsem pa: kaj nam bo prineslo prednost na trgu? Za odgovor na ta vprašanja je potrebno poglobljeno razumevanje celotnega sistema načrtovane aplikacije. Bolj ko postajajo aplikacije pametne, daljši je razvojni proces, preden postanejo zrele za trg. Tukaj stopi na prizorišče Rutronik, ki v svojem oddelku Rutronik System Solutions glede na njihove lastnosti in zmogljivosti kombinira najprimernejše izdelke za izvajanje inovativnih pristopov. Stephan Menze, vodja globalnega upravljanja inovacij pri podjetju Rutronik, nam je pokazal, kako je mogoče izvesti določen koncept z modularnimi rešitvami, kot so RDK2, RAB1 (Sensorfusion Board in Adapter Board – Text To Speech) na primeru večnamenskega opozorilnega sistema, prilagojenega za IIoT. Smart Environment Surveillance & Analytics System (SESAS) hitro in zanesljivo zazna nevarnosti v zraku ter hkrati javi potrebne ukrepe. Ta varnost je bistvena na primer pri proizvodnji baterij, v kemičnih obratih, rudarstvu in povsod, kjer lahko nastanejo ali se predelujejo škodljive hlapljive snovi (npr. VOC).
Izhodišče za to izvedbo koncepta je razvojni komplet »RDK2«: prostorsko varčna celovita rešitev za razvijalce vgrajene programske in strojne opreme, ki temelji na sistemu PSoC62 Infineon Cypress. Ta mikrokontroler ima dvojedrno CPE in je idealen za varno robno računalništvo ter aplikacije v oblaku. PSoC62 ima vgrajeno integrirano vezje za upravljanje energije s stikalnimi pretvorniki z različnimi možnosti za napajalne napetosti in tokove. Z družino mikrokontrolerjev PSoC 6 podjetje Infineon ponuja platformo za aplikacije IoT, ki združuje povezljivost, večjo računalniško moč in varnost z nizko porabo energije ter majhnimi stroški. Te lastnosti so ključne za fiksno vgrajene opozorilne sisteme, saj zahtevajo minimalne potrebe po vzdrževanju in morajo delovati z največjo možno zanesljivostjo. Njihov izpad bi lahko delavce v kemični tovarni izpostavil velikim nevarnostim za zdravje.
Optimizacija na ravni celotnega sistema
Običajni javljalniki dima ali požara se osredotočajo samo na eno funkcijo: razmeroma zgodnje odkrivanje nastajanja dima in s tem povezanega začetnega požara. V industrijskih okoljih so lahko zahteve za takšno varnostno inštalacijo bistveno bolj kompleksne, kar je doslej zahtevalo dodatne naprave. Vsak dim namreč še ne pomeni nujno tudi ognja. Integracija funkcije podrobne analize stanja v standardni javljalnik dima je bila doslej preveč zapletena in razvojno intenzivna ter je zahtevala preveč prostora, da bi jo lahko na trgu ponudili v eni napravi. Tukaj je odločilna prednost kombinacija komponent RDK2 in RAB1 – Sensorfusion Board, ki omogoča strojno učenje. Plošča že vključuje zelo vsestranska tipala, ki jih je mogoče preprosto in hitro prilagoditi svojim potrebam. Omogoča tudi bolj obsežno analizo celotnega kompleksnega sistema, saj je mogoče z združevanjem podatkov iz različnih fizičnih in kemičnih tipal (angl. sensor fusion) situacijo analizirati celostno. Prav možnost prilagodljivega kombiniranja plošče Sensorfusion je odločilni dejavnik za izvedbo SESAS.
Točne meritve s kakovostnimi tipali
Kakovostna temperaturna tipala zagotavljajo absolutno merjenje temperature. Sistem lahko tako natančno ločuje med na primer nenavadno toplim prepihom in nenadnim naraščanjem temperature, ki kaže na požar ter zahteva ukrepanje. Zlasti pri proizvodnji občutljivih komponent je nihanje temperature okolja pomemben vpliv na kakovost izdelkov. Zato ima sistem vgrajeno miniaturizirano digitalno tipalo zračnega tlaka DPS310 iz podjetja Infineon, ki hkrati zagotavlja visoko točnost in nizko porabo energije ter lahko meri tlak in temperaturo. Tlačno tipalo je kapacitivno in zagotavlja visoko točnost pri temperaturnih spremembah. Njegova posebnost je notranji signalni procesor, ki izhode tipal tlaka in temperature pretvori v 24-bitne rezultate.. Umeri se vsaka enota posebej, izračunani koeficienti pa se shranijo v registre za umerjanje, kar omogoča še večjo točnost meritev.
Alternativno ali dodatno se uporablja tipalo zračne vlažnosti SHT41-AD1B-R2 podjetja Sensirion, ki združuje digitalna tipala zračne vlažnosti in temperature za stalno točnost v širokem območju temperature. To tipalo ima izjemno majhno porabo energije in zelo majhno ohišje QFN 1,5 x 1,5 x 0,5 mm, zato je idealno za priročne opozorilne sisteme. Njegovo funkcionalnost v industrijskih okoljih zagotavlja široko območje delovanja od 0 do 100 % RV in od –40 do 125 °C.
Za natančno ugotavljanje plinastih snovi v okolju so potrebna tipala za pline, kot je BME688 podjetja Bosch SE. To tipalo je rešitev 4-v-1, ki združuje zelo linearna in točna tipala tlaka, vlažnosti ter temperature z umetno inteligenco. Ker ima nastavljivo funkcijo nadzora plinov v smislu občutljivosti, selektivnosti, hitrosti vzorčenja in porabe energije, omogoča zaznavanje hlapnih organskih spojin (VOC), hlapnih žveplovih spojin (VSC) ter drugih plinov, kot sta ogljikov monoksid in vodik, z občutljivostjo nekaj ppb.
Sensirion SGP40-D-R4 je dodatno plinsko tipalo VOC na plošči Sensorfusion. To tipalo kakovosti zraka v zaprtih prostorih je integrirani sistem tipal CMOSens® v enem integriranem vezju, ki temelji na tipalu s kovinskimi oksidi. Zaradi tehnologije MOXSens® ga odlikuje dolgoročna stabilnost občutljivosti in odzivnega časa. Uporaba posebnih materialov in tehnologije mikrogrelnikov zagotavlja izredno energetsko učinkovitost.
Jasno in nedvoumno sporočanje rezultatov meritev
Prilagodilna plošča za pretvorbo besedila v govor Rutronik (Adapter Board – Text To Speech) zagotavlja opozorilnemu sistemu nezahtevno interakcijo človek–stroj, kar pomeni večjo varnost in dostopnost, lažjo uporabo ter večjo učinkovitost. Če sistem SESAS na zvočnem izhodu javi konkreten scenarij tveganja vključno s potrebnimi ukrepi, jih lahko začnemo izvajati zelo hitro. Pri tem je vsekakor pomembna uporaba nedvoumno jasnega in razumljivega govora. Za kakovostna govorna obvestila smo doslej uporabljali studijske posnetke po meri s profesionalnimi govorci, kar je bil izjemno drag in dolgotrajen proces. Podjetje Epson ponuja gospodarno alternativo z razvojnim okoljem za pretvorbo besedila v govor za osebne računalnike, ki ga lahko uporabljamo skupaj s samostojnim integriranim vezjem S1V3G340. Podjetje Rutronik je to integrirano vezje vgradilo na prilagodilno ploščo za pretvorbo besedila v govor. To omogoča komunikacijo s sistemom PSoC62 RDK2 po vmesniku SPI in javljanje rezultatov meritev tipal ali vnaprej določenih opozoril ter ukrepov z majhnimi elektromagnetnimi in piezoelektričnimi brenčali ali zvočniki v poljubnem jeziku.
Zaznavanje posegov v javno dostopnih območjih
Za zagotavljanje pravilnega delovanja ima sistem SESAS vgrajeno inercialno merilno enoto (IMU) za intuitivno prepoznavanje kretenj, konteksta in dejavnosti, ter tipalo MEMS BMI 270 iz podjetja Bosch SE za zaznavanje sprememb položaja. Če se na primer samodejno vodeno vozilo (angl. Automated Guided Vehicle – AGV) dotakne naprave, to zazna enota IMU z izjemno nizko porabo. To omogoča tudi prepoznavanje namernih posegov, tako da je mogoče izvesti potrebne ukrepe, npr. začetno opozorilo po zvočnikih. Sistem deluje izjemno učinkovito in zato omogoča daljšo življenjsko dobo sistemske baterije. To je mogoče zaradi neodvisnosti od glavnega procesorja sistema, čeprav je mogočih več funkcij. Zmogljive in natančne funkcije za prepoznavanje kretenj ter dejavnosti delujejo z ultranizko močjo. Poraba energije le 30 μA omogoča uporabnikom daljše intervale polnjenja baterije.
Prilagodljiv pametni opozorilni sistem skoraj brez razvoja
Kombinacija modularnih rešitev RDK2, RAB1 (plošča Sensorfusion) in plošče Adapter Board – Text To Speech nam zagotavlja pametno rešitev za večnamenski opozorilni sistem. Kakovostna tipala omogočajo zaznavanje tudi najmanjših sprememb, ki jih je mogoče skupaj s potrebnimi ukrepi jasno sporočiti v govorni obliki. Glede na področje uporabe jih je mogoče natančno prilagoditi pričakovanim nevarnostim in po meri naročnika. To lahko bistveno izboljša varnost na delovnem mestu in varstvo okolja.
Neomejene možnosti medsebojnega kombiniranja in razširjanja z dostopnimi priključki Arduino na sistemu RDK2 zagotavljajo še več možnosti za razvoj rešitev na drugih področjih. Distributer zagotavlja vzorčno programsko opremo in vgrajeno programsko opremo, tako da lahko razvijalci takoj začnejo svoje delo in prihranijo veliko časa pri pripravah na razvoj. Vse komponente, ki so uporabljene na ploščah, so seveda na voljo tudi ločeno v ponudbi podjetja Rutronik.
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
https://www.rutronik.com
