Progettare applicazioni industriali più intelligenti

Innovazioni come AI, IoT e IIoT hanno introdotto tecnologie più intelligenti in ambienti difficili, il che ha permesso di creare applicazioni che prima non si credevano possibili. Vediamo quali aspetti considerare per lavorare con AI, IoT e altre applicazioni avanzate per ambienti difficili

Nell’automazione industriale e nelle industrie pesanti, come quella petrolifera e del gas, vibrazioni, temperature estreme, prodotti e sostanze chimiche finiscono spesso per danneggiare i sistemi elettrici. Le applicazioni rinforzate richiedono un portfolio molto diverso rispetto alle soluzioni tradizionali. Approcci di connettività standard non sono applicabili ad ambienti ostili, dove la posta in gioco è troppo alta per fallire. I progettisti elettronici devono tener conto dei fattori ambientali prima della fase di progettazione, scegliendo i prodotti che hanno qualifiche e valutazioni adeguate ad assicurare la protezione di apparecchiature di valore e del personale.

In questo articolo, non possiamo esplorare tutte le necessità di un intero ecosistema di componenti IIoT, ma ci concentreremo solo su pochi elementi chiave delle applicazioni, fornendo ai progettisti un’idea delle modifiche che dovranno apportare ai loro progetti.

 

Connettori

Un buon punto d’inizio sono i connettori, dal momento che essi sono componenti fondamentali della maggior parte di applicazioni IIoT. I connettori dovrebbero essere progettati per trasmettere dati e un’alimentazione affidabile nelle condizioni più difficili. Siano essi connettori HDMI, RJ45, RJ11, a fibra ottica, scheda-a-scheda o di altro tipo, le sfide chiave stanno nel prevenire l’ingresso di polvere e liquidi insieme alla capacità di sopportare forti sollecitazioni.

I connettori rinforzati con IP67/IP68 o i connettori dinamici classificati IP69k, sigillati ermeticamente, sono un’ottima scelta perché forniscono connessioni sicure in ambienti difficili o ostili. Sono particolarmente importanti per misurazioni subacquee, agricole e all’aperto, per apparecchiature medicali e altre applicazioni in cui lavaggi frequenti o esposizione all’umidità rappresentano delle minacce operative.[boris]

Anche un robusto meccanismo di blocco/accoppiamento è un must per connettori in ambienti difficili. Esistono diversi tipi di connettori di accoppiamento, compresi connettori ad anello, chiusure a rotazione, accoppiamenti a filettatura e a sgancio rapido, tutti con diversi attributi per vari tipi di applicazioni.

 

Sensori

Le applicazioni IoT utilizzano un’ampia gamma di sensori per raccogliere dati da trasmettere in rete a una risorsa di elaborazione basata sul cloud. Tecnologie di rilevamento come accelerometri, encoder, sensori di temperatura, sensori di livello dei liquidi, contatori di particelle e sensori di umidità devono offrire prestazioni affidabili nelle situazioni più estreme, per garantire sia la sicurezza pubblica che la continuità operativa. La sfida per i progettisti è trovare sensori abbastanza piccoli, resistenti e a basso consumo che garantiscano una distribuzione totale e che, allo stesso tempo, siano ancora in grado di raccogliere e inviare dati in ambienti difficili: con temperature estremamente alte o basse, con vento forte, umidità alta o in presenza di prodotti chimici.

Per quando riguarda i connettori, l’integrità del sigillo è essenziale per una funzionalità affidabile di sensori in condizioni difficili. Bisognerà quindi fare in modo che rispettino il minimo standard IP. Andranno inoltre considerati sensori prodotti con materiali resistenti alla corrosione, in modo particolare per applicazioni IoT all’esterno. L’ISO ha classificato le categorie di corrosione dei materiali da C1 (corrosione molto bassa) a C5-I e C5-M, rispettivamente per applicazioni industriali e marine con corrosione molto alta.

Interruttori

Interruttori elettrici – come per esempio interruttori a scatto, a levetta, tattili e a pulsante – devono offrire anche resistenza chimica, protezione all’ingresso e altre proprietà resistenti per applicazioni IIoT. Gli interruttori sigillati devono di solito affrontare le sfide in ambienti estremi. Dal momento che gli interruttori sono componenti meccanici e interagiscono spesso con la componente umana, tendono ad essere posti a stress e a essere esposti a una varietà di fluidi e inquinanti prodotti dall’attività umana e dall’ambiente in cui operano. Pensiamo alle applicazioni mediche, per esempio: in questo ambito, i dispositivi vengono costantemente spostati e possono essere esposti a sangue o ad altri tipi di fluidi.

Gli interruttori devono essere in grado di gestire il ripetuto impatto degli operatori che potranno premerli o attivarli con eccessiva forza. Altro fattore da considerare sono i materiali di cui sono composte le cuffie antischizzo degli interruttori (per esempio, gomma siliconica o etilene-propilene). I progettisti dovranno inoltre considerare requisiti, come tipo di terminale, tipo di attuatore, grado di protezione IP, e se gli interruttori richiedono illuminazione, requisiti che influenzano la scelta del materiale.

 

Alimentazione

Al contrario di molti e più ampi sistemi collegati, i prodotti IoT spesso non hanno accesso a una principale fonte di alimentazione e devono alimentarsi da soli, utilizzando di solito l’immagazzinamento di energia o le batterie. L’immagazzinamento di energia è particolarmente promettente per le applicazioni Industriali, perché l’energia richiesta viene presa dall’ambiente, sfruttando l’energia del movimento dal dispositivo, da pannelli solari, da calore o da altre fonti locali di energia.

Tuttavia, l’immagazzinamento di energia non è adatto a tutte le applicazioni. Forse l’alimentazione necessaria per elaborare dati sul dispositivo è troppo alta, le necessità della tecnologia per le telecomunicazioni troppo esigenti o, più semplicemente, non è una buona fonte per immagazzinare energia. In questi casi, le batterie costituiscono spesso la parte più estesa di un sistema di sensori IoT e limitano i progettisti, restringendo il loro campo di scelta. In ogni caso, con un’ampia gamma di processori, tecnologie per le telecomunicazioni, software e algoritmi, il sistema può essere progettato per raggiungere il ciclo di vita richiesto. Spesso i sensori IoT saranno progettati per operare durante tutta la loro durata con la loro batteria originale, dal momento che i costi di sostituzione sono troppo alti.

 

Connettività

Oltre ai fattori ambientali difficili, come la temperatura e l’umidità, le applicazioni IoT possono tra l’altro essere sottoposte a interferenze elettriche da circuiti stabilizzati, da utensili per la saldatura e da motori. Di conseguenza, i progettisti devono considerare che tipo di connettività di rete si addica meglio alle loro applicazioni. Se la connettività cablata è la migliore scelta, i progettisti dovranno gestire per prima cosa il fattore protezione contro un’eventuale disconnessione indesiderata, sia come risultato di una vibrazione o di una forza accidentale applicata al cavo collegato. Tecnologie di connessione standard, come Ethernet e USB, sono progettate per ambienti domestici o per uffici, luoghi dove la frustrazione è la peggiore conseguenza di una disconnessione indesiderata. I connettori industrializzati impediscono tali eventi grazie al meccanismo di blocco, che aumenta la forza di ritenzione del connettore industriale standard, o alla protezione all’ingresso.

Oltre ai connettori rinforzati USB o Ethernet RJ45 industriali, esiste una gamma di connettori multi-pin industriali standardizzati, progettati per trasferire segnali digitali e analogici assieme all’alimentazione a un sensore collegato.

Nel caso in cui si avrà bisogno di connettività wireless, si richiederanno innovative soluzioni di antenne ottimali nella loro funzionalità radio e in grado di sostenere condizioni ambientali avverse. Nella sua forma più semplice, l’antenna a singolo elemento è progettata in un circuito stampato flessibile (FPC), possibilmente come un’antenna a chip. Comunque, le soluzioni radio che utilizzano antenne a entrate multiple e uscite multiple (MiMo) stanno diventando un elemento essenziale nella connettività wireless.

Al di là del loro approccio, i progettisti hanno bisogno di supporto e guida quando affrontano la parte RF delle loro applicazioni. Le antenne personalizzate sono spesso il migliore approccio, dal momento che permettono al progettista di prendere in considerazione i materiali utilizzati, l’ambiente e l’oggetto sul quale l’antenna viene montata.

 

Conclusioni

Sia che si parli di caldo estremo, venti violenti o sostanze chimiche tossiche – i dispositivi elettronici IoT sono più suscettibili ai danni quando funzionano in ambienti difficili. Negli ambienti dell’industria pesante, le vibrazioni, le temperature estreme, i prodotti chimici e i fluidi hanno spesso la meglio sui dispositivi IoT. Una piccola perdita o un errore in un sistema elettrico può interrompere attività agricole, danneggiare irreparabilmente un veicolo militare o fermare un camion antincendio. I progettisti elettronici devono tenere in conto fattori ambientali prima della fase di progettazione, scegliendo prodotti che abbiano qualifiche e valutazioni adeguate per assicurare la protezione di apparecchiature di valore e del personale.[/boris]