Az intelligens gyárak építőkövei

Az analóg front-endek segítik az intelligens gyárak hatékonyságának növelését, lehetővé téve a gyors átkonfigurálást és a fejlett diagnosztikát.

A 21. században az ipar mint gazdasági ágazat a negyedik forradalomba lépett – Ipar 4.0. Bár szinte hihetetlen az előrelépés sebessége a korábbi ipari forradalmakhoz képest, még mindig nem hatékony, ráadásul törékeny.
Például a globális hulladék közel felét a gyártás hatékonyságának hiánya okozza, amelynek okai a legkülönbözőbbek lehetnek: a termékek nem megfelelő összetételének megépítése; a termékek túl korai megépítése, a termékek vagy alkatrészek lejárta; az ellátási láncok, a gyártás és a megrendelés közötti kapcsolat hiánya; sőt, még a szállítási útvonalak sem hatékonyak. A Világgazdasági Fórum becslései szerint a teherautók kilométereinek akár 15%-át is teher nélkül teszik meg, ami üzemanyag- és időpazarlás.
Nem a hatékonyság hiánya azonban az egyetlen probléma, amellyel a feldolgozóiparnak szembe kell néznie. A zsarolóvírusok továbbra is az egyik legnagyobb fenyegetést jelentik minden vállalat számára. Ezek a támadások 2019 óta 278%-kal nőttek, költséges és halálos következményekkel egyaránt. Egy új jelentés szerint a globális ellátási láncok viselik a zsarolóvírus-támadások legsúlyosabb részét, amely szerint 2021-ben a gyártás volt a leginkább megcélzott iparág. Például amikor 2021-ben a támadók az Egyesült Államok legnagyobb finomított olajtermékeket szállító csővezetékrendszerét vették célba, az okozott kár ötnapos leállás és 4,5 milliárd dolláros ransomware kifizetés volt, ami érezhető pusztítást okozott az ellátási láncban.
A biztonság egy másik gond. Annak biztosítása, hogy a munkavállalók minden este biztonságban hazamenjenek, és másnap vissza akarjanak menni dolgozni, minden iparág számára elengedhetetlen. A Nemzeti Biztonsági Tanács becslése szerint a munkahelyi sérülések teljes költsége 2022-ben 167 milliárd dollár. Ez a szám 50,7 milliárd dolláros bér- és termelékenységvesztést, 37,6 milliárd dollár egészségügyi kiadást és 54,4 milliárd dollár adminisztratív kiadást tartalmaz. A gyári leállások és a hatékonyság hiánya további költségeket jelent a feldolgozóipar számára is. A Siemens jelentése szerint egy átlagos nagy üzem leállási költsége évi 129 millió dollár.

Az intelligens és hatékony gyárak kulcsfontosságú elemei

Nem meglepő, hogy a fenti kihívások miatt több intelligencia szükséges a gyárban. A rugalmas és intelligens gyárak jelentik az utat a rugalmasság és a hatékonyság felé.
Mire van szükségünk az intelligens automatizálás kiépítéséhez?
Az intelligens gyár megvalósításához szükséges néhány alapvető elem:

• Edge computing: skálázható platformok, amelyek különböző alkalmazásokban telepíthetők, és lehetővé teszik a valós idejű elemzést és döntéshozatalt a peremeken – ezek a hálózati késleltetés által nincsenek akadályozva, ezért csökkentik az adatközpontok és a hálózat költségeit.
• Gépi tanulás: képesség a gépek megtanítására, hogy változó körülmények között összetettebb feladatokat tudjanak vállalni.
• Végponttól végpontig tartó biztonság: az adatok és eszközök külső támadással szembeni védelme érdekében szükséges, mivel minden összeköttetésben van egymással, ez elengedhetetlen a gyártási és egyéb helyszínek közötti együttműködéshez.
• Valós idejű kommunikáció: lehetővé teszi a valós tételek ellenőrzését igénylő operatív technológiák elkülönítését, miközben lehetővé válik a nagyobb adathalmazok cseréje a gépek között a peremeken.

Bár a fenti funkciók szükségszerűek, nem oldják meg a gyárterület minden egyes alkalommal történő újrakonfigurálásának problémáját, amikor a piac vagy az ügyfelek igényei megváltoznak. A végtermékek nagyfokú eltéréseinek kezeléséhez rendkívül kívánatos, hogy a gyártóberendezések rugalmasak és konfigurálhatók legyenek.
Míg a rugalmasság és a konfigurálhatóság az intelligens gyári hierarchia magasabb szintjein érhető el (1. ábra), amelyeket már eleve modulárisnak terveztek (pl. szerverek, routerek), addig a fizikai erőforrások rétegét tekintve ez sokkal bonyolultabb, mivel ott a gyári berendezéseknek a valós fizikai mennyiségeket összegyűjtő érzékelőkkel kell kapcsolódniuk.

1. ábra Az érzékelők és analóg front-endek adják az intelligens gyári hierarchia alapját (NXP Semiconductors)

A rugalmasság egyik követelménye például az, hogy bármilyen érzékelő kimenetét el lehessen fogadni anélkül, hogy meg kellene változtatni az analóg front-endet, amely az analóg érzékelőjelet a digitális feldolgozási világba konvertálja.
Minden gyárban több száz, ha nem több ezer érzékelő található a hozzájuk tartozó analóg front-endekkel (AFE). Minden AFE az adott érzékelőhöz van optimalizálva, és mérhet feszültséget, áramot vagy ellenállást. Egy AFE például mérhet hőmérsékletet, a nagyon kis millivoltos jelével, míg egy másik AFE ±25 V-os nagyfeszültséget mérhet.
Ha néhány érzékelőt ki kell cserélni, mondjuk a gyári részleg átalakítása miatt, akkor az AFE-t tartalmazó mérőegységet is ki kell cserélni. Ez azt jelenti, hogy a gyártási folyamatot le kell állítani, amíg az üzemcsarnokot átkonfigurálják.
Az AFE – minden egyes érzékelőcserénél történő – cseréjének problémájára a szoftveresen konfigurálható univerzális AFE-k jelentik a kézenfekvő megoldást. Egy ilyen AFE az egyik nap még például feszültséget mér, majd ha az érzékelő kimenete áram, az AFE átprogramozható áram mérésére.

Az újrakonfigurálható analóg front-endek intelligensebb gyárhoz vezetnek

Az NXP analóg front-endek NAFE családja az egyik példát szemlélteti. Az univerzálisan újrakonfigurálható bemeneteknek köszönhetően az AFE a legtöbb rendelkezésre álló érzékelőhöz csatlakoztatható, függetlenül attól, hogy az feszültség-, áram- vagy ellenállásmérés. Emellett a széles, 180 dB-es dinamikatartomány azt jelenti, hogy az AFE akár nano­voltos és ±25 V-os feszültségek mérésére is képes, ugyanolyan 0,01%-os pontossággal.
Az AFE nem csupán 24 bites felbontással és 0,01%-os pontossággal méri a különböző érzékelőjeleket, hanem számos olyan diszkrét alkatrészt is tartalmaz, amelyek általában a mérőpanelen találhatóak. Ezek közé tartozik a nagyfeszültségű védelem, a nagyfeszültségű gyors multiplexerek, az érzékelő feszültség- és áramgerjesztése, valamint az alacsony eltolódású feszültségreferenciák, továbbá egy sor diagnosztikai és tápellátás-felügyeleti áramkör az állapotfigyeléshez és a rendellenességek felismeréséhez (2. ábra).

2. ábra Az NXP Semiconductors analóg front-endjének blokkvázlata látható

Mivel a NAFE bemenetei szoftveresen programozhatók, a gyáregység újrakonfigurálása olyan egyszerű, mint a mérőegység távoli átprogramozása. Ez kiküszöböli a különböző mérőegységek cseréjéhez szükséges időt, valamint a gyár leállási idejét.

Az NXP intelligens érzékelői támogatják a megelőző karbantartást

A NAFE-családba integrált fejlett diagnosztikai funkciók lehetővé teszik a gyárak üzemeltetői számára, hogy ne csak a kisebb rendellenességeket észleljék, hanem a váratlan leállások elkerülése és a karbantartás időben történő megtervezése érdekében a problémák bekövetkezése előtt előre jelezzék és megelőzzék azokat. A fejlett diagnosztikai funkciók közé tartozik többek között a szakadás- és rövidzárlat-érzékelés, a kábel és a rögzítés degradációja, a hőmérséklet, a tápellátás, a referenciaóra, a bemeneti jelanomáliák, az alkatrészek öregedése, a referenciaeltolódás és más egyebek.
A kis anomáliák felismerése nagy jelek jelenlétében csak a NAFE család nagy pontossága mellett, széles dinamikatartományának köszönhetően lehetséges. Ezek a fejlett diagnosztikai funkciók a funkcionális biztonság megvalósítását is megkönnyítik.
A meghibásodás előrejelzéséhez a fent említett diagnosztikai funkciókra, valamint a megfelelő algoritmusokkal, modellekkel és mesterséges intelligenciával rendelkező, nagy teljesítményű peremprocesszorokra van szükség. A NAFE AFE-család az NXP crossover MCU-jaival, például az RT1080 családdal, vagy az olyan MPU-kkal, mint az i.MX család, párosítva kezeli a megbízhatósággal, a biztonsággal és a védelemmel kapcsolatos aggályokat.

Következtetés: Az intelligens gyártás hatékonyságának javítása rugalmas AFE-kkel

Az ABI Research szerint az intelligens gyártásra fordított kiadások a 2021-es 345 milliárd dollárról 2030-ra várhatóan több mint 950 milliárd dollárra nőnek. A rugalmas automatizálás a gyártóknak a folyamatosan változó környezetben nagyon is szükséges rugalmasságot kínál. A megfelelő analóg front-end segíthet a hatékonyság növelésében azáltal, hogy lehetővé teszi a gyáregység gyors átkonfigurálását a változó igények alapján.
Ezen a téren a teljesen szoftveresen konfigurálható bemenetekkel rendelkező NAFE AFE-család lehetővé teszi a különböző érzékelők mérését hardveres változtatások nélkül. A NAFE család beépített diagnosztikai funkciói az NXP processzorokkal, valamint biztonsági és funkcionális-biztonsági megoldásaival párosítva a szükséges biztonság és védelem mellett megkönnyítik a prediktív karbantartást, az anomáliák észlelését és a hiba előrejelzését.

Szerző: Alec Makdessian – marketing és üzletfejlesztési igazgató, NXP

Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93. West Irodaház
Tel.: +36 1 436 7229
www.ebv.com