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智能工业传感器和联网技术

作者:时间:2018-01-17来源:电子产品世界收藏

  前言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201801/374535.htm

  智能工业是一个描述制造设施网络化和自动化的术语。在智能工业时代,工厂生产效率更高; 从供应链角度看,产供更加灵活,按需定制程度更高,制造过程更环保节能,工业垃圾更少,工作环境更安全,车间人机协同性更高。

  和低功耗通信连接技术是互联智慧工业兴起发展的关键,本文详细介绍这两项技术近期取得的重大进步。

  智能工业发展历程

  第一次工业革命发生在18世纪,标志着以蒸汽机为动力的机械工业时代的来临,每个劳动力参与大规模生产的全部环节。

  第二次工业革命发生在20世纪,机械设备的动力由蒸汽变为电力,大规模生产首次出现劳动分工,每个工人只负责产品加工过程中的一个工艺,不再自始至终的全程参与生产过程。

  第三次工业革命发生在20世纪70年代,因为电子信息技术的广泛应用,制造过程实现自动化,大型机械设备被电子设备取代。这次革命还是半导体行业发展史上的一个重要里程碑,半导体工业成为自动化发展的引擎。

  第四次工业革命发生在今天,机器变得越来越智能,人机交互更加直观,新机器可以自主监测性能状态、使用情况和故障状况,因此,能效、安全和灵活度更高。企业可以使用大数据、分析学和分权决策方法提高供应链的可靠性和生产运营效率。

  在智能工业时代,制造过程更加高效和环保,工作环境更加安全,工人的工作体验更好,人机交互更直观,可以按照客户需求更灵活、大批量地制造产品。

  智能工业启用技术

  能效

  智能机器在每种工作模式下都能保持高能效,可以将电能高效地转化成机械能,必要时还能高效地储备电能。今天,电机能效比过去高很多;照明系统可以通过无线网络远程控制灯具,只在需要时才点亮。

  智能和感知

  智能机器使用测量振动、温度、湿度等参数,并将数据送到处理器处理,将其变成有用的信息,智能机器与附近的操作员交互,将信息提供给操作员。

  通信连接

  在工厂内部,所有的智能机器互联上云,提供底层的实时信息,融入一个超大供应链。信息被安全地送到云端,供分析技术使用,包括停机预测。

  智能工业应用领域

  工厂自动化

  工厂自动化是使用各种控制系统管理制造过程,让机器按照预定工序运行,尽可能减少人工干预。通过在制造过程中监测各种数据,例如,原料和成品的温湿度、故障检测、自动测试报告等,自动化系统可以做出各种决策。不同的机器可以通过6LowPan subGhz RF 技术互联,构成网格网络,共享信息。

  

  是一种运动自由度很高的机器。在设定程序后,可以完成制造、测试和生产任务,有助于实现高品质制造,节省人工成本,在对人体健康有害和不适宜人类生存的危险环境中代替人类作业。新一代机器人灵活可变,能够执行程序,按照客户的需求和意愿,一对一地量身定制产品。机器人有多颗,能够准确地监测运动位置和角度。工业智能机器人之间也是无线通信,收发数据。

  工业照明

  在非制造类设施用电量中,照明用电占相当大的比例。如果灯具不用时还点亮,大量的电能将被浪费。智能照明系统可以通过6LowPan subGhz网络监控每支灯具,只在必要时才会开启灯具,并自动检测故障灯具,甚至还能远程调节灯光亮度。灯杆上还可以安装气象监测设备和治安摄像头。

  智能制造

  智能制造将各种制造领域与供应链完全融为一体,这个概念覆盖自动化控制、先进机器人、电机控制、、互联机器等。智能制造设施能够自动订购原料,在故障发生前提出维修请求,能够改进工作条件,更安全地管理危险制造活动。智能制造设施也需要用到大数据和人工智能技术。

  经济实惠的低功耗和通信连接技术正在让智能工业离我们越来越近。

  案例研究: 利用自动化振动监测技术监视机器性能状况

  传统监测方法

  因为机器易磨损和断裂,所以企业必须采用预防性维护计划,定期检查机器的部件,即便没必要也得做,或者定期监测机器的运行状态。预防性维护计划通常外包给外部服务机构,他们会定期派人上门监测振动参数。这种方法成本很高,因为委托企业要承担维修工的服务费和差旅费。此外,因为数据监测不是连续的过程,故障发生率仍然很高,致使故障不可预测。

  智能监测方法

  机器本身配备和射频通信模块。连续监测振动和温度等参数,并通过BLE蓝牙或RF subGhz无线技术将数据上传至网关,再送到云服务器。和射频通信模块的功耗极低,甚至可以选用电池作电源。网关将数据传到云端进行振动分析和FFT分析。

  机器振动特征分析技术可提前发现各种故障或异常,例如,负载均衡、错位偏差、轴承缺陷、齿轮啮合等。

  在工业智能化中的作用

  加速度计

  加速度计用于测量工业机器沿X、Y、 Z三轴方向发生的加速度,还可以测量机器或机械臂的倾角。如果机器水平静止,则X、Y两轴输出数据是0g,而Z轴输出则是1g。1g是地球上所有物体都要承受的地球引力。如果机器沿X轴旋转90度,则X和Z两轴将输出0g,Y轴输出1g。在倾斜状态下,X、Y、Z三轴输出值在 0和1g之间,然后将输出值代入三角学公式,算出机器的倾角。

  加速度计还能测量沿水平和垂直方向的线性加速度,这些数据可用于计算机器的运动速率和方向,甚至还能计算高度变化率。

  加速度计还能检测机器振动。在电机上安装的加速度计为检测故障类型提供关键数据。因为电机负载失衡引起的故障、轴承缺陷和齿轮啮合故障三者的振动频率不同,这些信息可用于预测电机的检修需求。

  陀螺仪

  陀螺仪是一种测量沿三轴方向的角速度的,能够测量俯仰、横滚、航向三轴的角度变化率。角速率变化信息可用于提高机器运行的稳定性,防止机器横向晃动。在收到陀螺仪信息后,电机控制器可以动态调节电机转速,确保机器或机械臂稳定运行。陀螺仪还能让机器或机械臂按照用户要求的角度精确旋转。

  磁罗盘

  顾名思义,磁罗盘为机器或机械臂提供运动方向数据。磁罗盘测量物体所在磁场沿X、Y、Z三轴方向的数据,并报送到微控制器,利用专门算法算出以北极为参照点的航向角,以确定地理方向。

  为取得准确的方向,应将加速度计的倾角数据和磁罗盘数据综合应用。

  磁罗盘的精确度很容易受到软硬铁或运行角度的影响。硬铁是存在于附近的硬磁铁材料,可使罗盘的指针发生永久性偏移。软铁是附近的弱磁铁材料、电路迹线等,可使罗盘指针发生可变性偏移。为滤除这些异常,需要一个磁校准算法。对于这个算法,最重要的是校准快,人工干预少。

  气压计

  气压计可以把气压值换算成高度值。气压可测量地球大气压。气压计数据有助于机器或机械臂导航,达到目标高度。升降速度估算的准确性对包括机器人在内的很多机器至关重要。意法半导体推出了新款数据速率200Hz的压力LPS22HD,能够满足高度估算需求。

  湿度

  湿度可以测量湿度参数,用于气象站、凝结度监测、空气密度监测和气体测量校正。

  意法半导体湿度HTS221包括单元和模拟前端,通过数字串口输出测量数据。传感单元包括聚合物电介质平面电容结构,能够测量相对湿度变化。

  MEMS麦克风

  MEMS麦克风是一种将声音信号转化成电信号的音频。MEMS麦克风的人气越来越高,与传统麦克风相比,MEMS麦克风信噪比高、尺寸小、数字接口、抗射频干扰性强、抗振性强,主要用于摄像机、治安监控和情报搜集等设备。

  智能工业的重要特性

  机器很容易发生极端的工况,受到振动、噪声和环境的影响。工业机器应该有很强的抗振性能,能够捕捉更少的噪声信号,响应速度快,能够捕捉到所有的振动,性能稳定,不受温度、湿度等环境参数变化的影响。最后,可靠性和性能应该很高。

  算法的作用

  在把原始数据变成有意义的用例过程中,软件库在其中发挥着重要作用。算法可提升的功能性,实现预想不到的功能。算法整合不同发送的数据,然后输出上下文感知数据。

  加速度计、陀螺仪和磁罗盘三个运动有各自的优缺点。的短板包括校准不完美、时间或温度漂移、随机噪声。磁强计和加速度计受失真问题困扰,陀螺仪本身有漂移问题。融合算法库用于让三个相互取长补短,提高校准精度,在所有的场景中输出精确的结果,不仅输出经过校准的数据,而且还有角度和航向角信息以及四元数。

  智能机器互联技术

  智能机器可以通过不同的通信连接技术联网,低能耗蓝牙和 Wi-Fi用于机器和手机之间的连接。Sub-1GHz射频技术用于通过专属协议连接网络,兼具功耗低和通信距离远两大优点。移动蜂窝通信和Sigfox用于将机器数据直接上传到电信基础设施。

  下表列出了各种连接技术的通信距离和功耗情况。在下文中我们将更详细地讨论低功耗通信技术,例如,BLE、RF sub-1GHz和Sigfox。

  低能耗蓝牙 - 智能蓝牙[BLE]

  低能耗蓝牙[BLE]又称智能蓝牙,是一种低能耗的机器连接通信技术,适用于低端机器,特别是玩具。支持机器与控制器之间双向通信,例如,手机、平板、笔记本和专用遥控器。BLE协议可大幅延长机器电池的续航时间,令Wi-Fi和Classical Bluetooth等传统无线技术望尘莫及。

  低能耗蓝牙工作在免牌照费的2.4GHz ISM频段。蓝牙技术联盟(SIG)是低能耗蓝牙标准的管理者,所有大牌手机厂商都支持该标准。

  目前低能耗蓝牙芯片市场有两大阵营。

  a. 网络处理器

  网络处理器运行低能耗蓝牙协议,包括控制器、主设备和协议栈。与运行不同的蓝牙应用协议和应用的主微控制器交互,网络处理器还需要一个单独的微控制器。网络处理器是一个独立的平台,为用户选择最适合的微控制器或操作系统提供很大的灵活性。BlueNRG-MS是意法半导体开发的兼容BLE 4.1的网络处理器,能够同时充当主控制器和从控制器两个角色,可以让一个遥控器当手机的从设备,机器的主控制器。

  b. 系统芯片

  系统芯片(SOC)是一个独立的芯片组,包括控制器、主设备、应用协议栈和应用。意法半导体的BlueNRG-1是 BLE 4.2认证系统芯片,包含15个GPIO引脚、I2C、SPI、UART、PWM、PDM和160kB RAM。这款芯片还提供BLE 4.2.的先进数据安全和隐私保护功能。

  RF sub-1GHz

  顾名思义,RF sub-1GHz技术是以低于1GHz的载波频率传送信号,不同的国家为工业和科研领域分配了不同的免牌照费的无线电波段。

  下面是各个国家的免费无线电波段。

  · 北美: 315, 433, 915Mhz

  · 欧洲433, 868Mhz

  · 印度: 433, 865-867Mhz

  sub-1GHz技术的优点是噪声小,通信距离远,功耗低。缺点是不能直连手机,应用不广泛。

  Sigfox是采用sub-1GHz频率的需要付费的LPWAN服务。Sigfox技术可直连电信基础设施上云。通信距离长达几公里。在机器内,Sigfox可用于跟踪,向云端上传数据。作为直连电信基础设施的低速率通信技术,预计未来不会取代BLE等控制直连技术和RF sub-1GHz直接对等连接。

  意法半导体最近推出了 RF sub-1GHz和 Sigfox收发器芯片S2-LP。这款产品的通信频率是430-470 MHz和860-940 MHz,输出功率高达+16dbm,灵敏度低至-130dbm,工作电流极低,可在机器与遥控器之间建立对等连接。这还是一款Sigfox认证产品,可直接将机器连至Sigfox网络上云,无需通过网关,因为功耗极低,电池电量可用10年。

  开发平台

  物联网市场正在飞速发展,产品能否成功,很大程度取决于研发时间和成本,在这种情况下,拥有一个价格划算、灵活可变、可伸缩的生产级开源开发平台很重要。

  意法半导体推出了STM32开放式开发环境,为设计人员使用意法半导体产品开发应用提供了一个灵活多变、经济实惠的解决方案。STM32开发环境包括微控制器、、射频芯片、模拟器件。除硬件平台外,开发环境还提供驱动软件、中间件和应用例程,以及相关的 Android和iOS代码。

  用户只要在电脑上签署一份授权协议,就可以使用这些高级软件库。在平台测试成功后,设计人员就可开发自己的印刷电路板,装载在这个平台上开发的固件。用户只有在自己的电路板上测试应用时,才需要签署生产级软件库许可证。

  SensorTile

  SensorTile是一个方砖状微型设计平台,具有远程感测运动、环境和声学等参数所需的全部功能,让设备开发人员集中精力研发机器或机械臂的空气动力、电机控制和物理设计,而无需考虑通信连接和集成等问题。

  该解决方案可以开发预防性和预测性机器维护方法,监控安装在危险和危害人体健康的环境中的机器,因为维护技师无需到现场检修,为企业节省一大笔维修费。

  结论

  实现更高的生产率、更安全的工作环境和更高的能效,智能工业是当务之急。低功耗和通信连接技术的问世为智能工业的发展提供了可能。多元化的和连接技术正在解决诸多的复杂难题,要是放在过去,这些难题是根本无法解决的,即使能够解决,也需要付出很大的代价。

  意法半导体拥有30余年的工业产品研发经验和深厚的应用知识积累,我们有能力为智能工业市场提供优化的解决方案。意法半导体有自己的先进制造设施,市场领先的创新技术,以及丰富的开发工具、软件和技术支持。



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