산업용 애플리케이션을 위한 센서와 프로세서의 결합

인더스트리 4.0은 2011년 하노버 박람회에서 유행어가 만들어진 이후로 먼 길을 왔습니다. 스마트 제조를 향한 여정은 계속되고 있지만 최근 몇 년 동안 실제로 변화를 가져온 것은 사물 인터넷(IoT)의 등장과 그 출현입니다. 인공 지능(AI) 솔루션.

여기서 2012년 General Electric이 지능적으로 연결된 다수의 산업용 장치에 대해 산업용 인터넷이라는 용어를 만들어 귀중한 통찰력을 모니터링, 수집, 교환, 분석 및 제공할 수 있는 시스템을 생성했다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 결국 인더스트리 4.0과 산업용 인터넷의 개념이 수렴되기 시작하여 산업용 IoT 또는 IIoT로 정점에 이르렀습니다.

인더스트리 4.0 또는 IIoT라고 하는 것이 무엇이든, 근본적인 목표는 증기 기관, 컨베이어 벨트 및 첨단 전자 장치의 도움을 받는 정보 기술(IT)에 이어 4차 산업 혁명을 실현하는 것입니다. 제조 및 공정 자동화를 완전히 새로운 수준으로 끌어올려 미래의 공장에서 인터넷 프로토콜(IP)을 통해 서로 다른 유형의 네트워크를 통해 연결된 센서, 액추에이터 및 제어 시스템으로 구성된 연결된 시스템을 구축할 것입니다.

그림 1:Industry 4.0은 디지털 혁신의 다음 단계를 나타냅니다. (이미지:텍사스 인스트루먼트)

또한 인더스트리 4.0 운동을 가속화하는 것은 결함 감지 및 분류와 같은 AI 애플리케이션의 통합입니다. IoT와 AI 기술의 결합은 엔지니어가 생산 환경에서 데이터를 관리하고 정보를 전파하며 실시간 의사 결정을 내리는 방식을 변화시키고 있습니다. 기계 학습 알고리즘과 로봇 기반 프로세스 처리를 사용하면 비용과 노동 시간을 크게 절약하여 현대 제조를 더욱 최적화할 수 있습니다.

인더스트리 4.0의 실제적인 표현은 뉴욕 Schenectady에 있는 General Electric의 공장에서 볼 수 있습니다. 나트륨-니켈 배터리 제조 시설은 180,000평방피트의 제조 공간에 10,000개 이상의 센서를 설치했습니다. 이 모든 센서는 고속 이더넷을 통해 연결됩니다.

이는 인더스트리 4.0 설계의 기본 구성 요소 중 하나인 연결된 센서로 이어집니다.

센서 인터넷

유선 또는 무선 링크를 통해 연결된 센서는 인더스트리 4.0 또는 IIoT 시스템의 백본을 형성합니다. 센서가 클라우드에 제공하는 머신 데이터는 제조를 최적화하고, 오류를 예측하고, 유지 관리를 예약하고, 재고를 자동으로 보충할 수 있습니다.

인더스트리 4.0 영역에서 센서의 새로운 기능은 정확한 실내 위치 시스템을 만들기 위한 로컬라이제이션과 통신의 융합입니다. 이를 통해 공장은 도구를 실시간으로 모니터링하고 작업자의 도구 사용을 관리하여 조립 라인의 효율성, 안전, 보안 및 품질 관리를 개선할 수 있습니다.

이러한 고정밀 위치 인식 시스템은 스마트 무선 센서 솔루션을 사용합니다. 센서 공급업체인 Bosch가 CAB Concept Cluster(CCC)와 협력하여 개발한 Smart Cab을 예로 들어 보겠습니다. . 카메라와 드론을 농업용 차량에 통합하여 현장에서 연결된 제어 센터로 전환합니다.

그림 2:스마트 제조를 넘어 인더스트리 4.0 이니셔티브는 연결된 농업과 같은 다른 영역으로 확장되고 있습니다. (이미지:CAB 컨셉 클러스터)

이 솔루션은 농부들에게 카메라 드론으로 촬영한 후 클라우드에서 처리되는 작물 상태에 대한 자세한 사진을 제공합니다. 카메라 드론은 또한 개체 인식을 수행하여 농부들에게 사슴과 같은 살아있는 장애물에 대해 경고할 수 있습니다. 또한 농부는 날씨나 토양 조건에 따라 노즐 설정을 조정하는 것과 같은 특정 기능을 수행할 수 있습니다.

Bosch는 또한 실린더의 움직임, 그리퍼의 사이클 시간, 제조 공정의 온도 및 압력 수준을 기록하여 독일 Blaichach 공장에서 ABS/ESP 제동 시스템 제조의 생산성을 향상했다고 주장합니다. RFID 태그에서 수집된 데이터는 상품의 내부 흐름을 디지털 방식으로 매핑하는 대규모 데이터베이스로 전달됩니다.

인더스트리 4.0 칩

반도체 장치는 인더스트리 4.0 및 IIoT 설계의 또 다른 핵심 요소입니다. 여기에는 에지 컴퓨팅용 프로세서, 데이터 저장용 메모리, 데이터 변환기, 원격 감지 및 클라우드 플랫폼 링크를 위한 유무선 연결 칩이 포함됩니다.

한 가지 예는 Sitara AM6x입니다. 공장 자동화, 모터 드라이브 및 그리드 인프라를 위한 기가비트 산업용 통신 하위 시스템을 가능하게 하는 텍사스 인스트루먼트(TI)의 프로세서 제품군. 프로세서는 단일 네트워크에서 이더넷과 실시간 데이터 트래픽의 수렴을 중심으로 구축됩니다. 또한 TSN(Time-Sensitive Networking), EtherCAT, 이더넷/IP 및 PROFINET을 포함한 여러 프로토콜을 지원합니다.

그림 3:TSN과 같은 산업용 연결 표준을 위한 기가비트 처리량을 제공하는 Sitara AM6548 다중 프로토콜 프로세서의 블록 다이어그램. (이미지:텍사스 인스트루먼트)

이 TSN 지원 프로세서는 선택적 잠금 단계 모드에서 작동할 수 있는 듀얼 코어 Arm Cortex-R5F 기반 마이크로컨트롤러(MCU) 하위 시스템을 통합하고 온칩 메모리와 외부 이중 데이터 모두에 대해 오류 수정 코드(ECC) 보호를 지원합니다. 속도(DDR) 메모리. 이러한 기능을 통해 프로세서는 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC) 및 다축 모터 드라이브와 같은 애플리케이션의 보안을 강화하고 시스템 수준의 복잡성을 줄일 수 있습니다.

인더스트리 4.0 플랫폼은 보안 연결 및 HMI(인간-기계 인터페이스)로 보완된 고성능 PLC를 점점 더 요구하고 있습니다. 또한 PLC는 폼 팩터 및 프로세스 가치 사슬에서 축소하는 동시에 아날로그 및 디지털 모두의 I/O 채널 수를 늘리는 것이 필수적입니다. 이러한 PLC는 IO-Link와 같은 새로운 I/O 프로토콜을 지원해야 합니다. .

또한 강력한 SoC(System-on-Chip) 솔루션의 등장으로 가상 세계와 물리적 세계를 연결하고 산업 제조의 모든 단계를 매핑하고 연결하는 데이터 풀을 생성하는 디지털 트윈을 만들 수 있습니다. 이러한 사이버-물리적 시스템은 물리적 세계의 가상 사본을 생성하여 물리적 프로세스 모니터링을 보다 저렴하고 효율적으로 만듭니다.

미래의 공장

Industry 4.0은 종단 간 센서 솔루션 및 서비스를 통해 제조 현장의 르네상스를 약속합니다. 더 현명한 결정을 내리고 운영 효율성을 높이며 수율을 높이고 엔지니어링 생산성을 높이고 비즈니스 성과를 크게 향상시킵니다.

인더스트리 4.0의 현실은 IoT 센서, 빅 데이터 및 AI 애플리케이션의 가용성이 가속화되면서 마침내 앞으로 나아가기 시작했습니다. Gartner Inc. 보고서에 따르면 2018년에 현장에 60억 개 이상의 IoT 장치가 있었고 2022년에는 그 수가 200억 개 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다.

미래의 공장은 더 강력한 처리 노드, 자동화된 생산 프로세스, 방대한 양의 공장 데이터를 거의 실시간으로 처리하고 분석할 수 있는 더 스마트한 데이터 분석 도구를 통해 느리지만 꾸준히 형태를 취하고 있습니다. 한 번에 하나의 IoT 센서 솔루션이 현실이 되고 있습니다.

>> 이 기사는 원래 다음 날짜에 게시되었습니다. 자매 사이트인 Electronic Products:"IoT 센서는 Industry 4.0을 상업적으로 초점을 맞춥니다."