Sensores industriales para sistemas de inteligencia artificial física en el mundo de la fabricación inteligente - Parte 2
Anteriormente vimos cómo los sensores industriales funcionan como el sistema nervioso de los sistemas físicos de IA en la fabricación inteligente. Proporcionan los datos necesarios para que los modelos de aprendizaje automático tomen decisiones autónomas. Los bucles de retroalimentación en tiempo real que permiten los sensores permiten a las máquinas adaptarse a las condiciones cambiantes y optimizar el rendimiento. En este segundo blog, profundizaremos en cómo los sensores industriales evolucionan y potencian la IA física en la fabricación inteligente.
Las tendencias de Industria 4.0 e IoT han dado lugar a una explosión de sensores inteligentes para la productividad, la seguridad y el mantenimiento predictivo, además de proporcionar datos para tomar decisiones inteligentes sobre la calidad, las actualizaciones de la fábrica y la previsión de producción. En lugar de sensores que se limitan a medir y enviar datos a un controlador para la toma de decisiones, los nuevos sensores pueden determinar la mejora de la latencia y el rendimiento de la fábrica. Además, la Industria 5.0 o fabricación inteligente está dando un giro significativo hacia un enfoque centrado en el ser humano que impulsa la expansión de los sensores de seguridad para permitir la colaboración entre humanos y robots, así como sensores medioambientales que reducen el impacto climático negativo de las fábricas en las sociedades.
Innovaciones en sensores
Para construir un sensor, los diseñadores de sistemas utilizarían un circuito integrado estándar para cada amplificador operacional (Op-Amp), referencia de tensión, convertidor analógico-digital (ADC), gestión de potencia, unidad procesadora central (CPU), interfaz y funciones del sistema que trabajan con el elemento sensor para digitalizar la señal analógica, procesarla y conectarla con módulos de E/S para enviar los datos a un controlador lógico programable (PLC). Los sensores en la automatización de procesos también pueden necesitar aislamiento galvánico opcional en algunas aplicaciones entre el ADC y la CPU, y entre la CPU y la interfaz.
Los fabricantes de circuitos integrados han integrado bloques analógicos y de señal mixta específicos de la aplicación en un único chip que incluye op-amplificador, referencia de tensión, ADC y gestión de la alimentación, denominándolo "sensor analog front end" (AFE) (véase la figura 1) para permitir una baja latencia, mayor precisión, tamaño y facilidad de uso.
Figura 1 Evolución de la interfaz de sensores al controlador de sensores
Las nuevas tecnologías de detección, el rendimiento de la producción y la capacidad de tomar decisiones independientes con un solo sensor y en colaboración con varios sensores sin necesidad de un controlador han impulsado las necesidades de AFE/ADC y microcontroladores de mayor precisión en los sensores. El deseo de habilitar la alimentación y los datos en el mismo cable o de forma inalámbrica ha obligado a los fabricantes de equipos originales a adoptar nuevos estándares de interfaz. Por último, la IA/ML presenta notables oportunidades que interesan a los clientes, pero que no saben cómo explotar.
Los nuevos procesos avanzados BCD (Bipolar CMOS DMOS) por debajo de los 90 nm, que combinan lógica digital de alta densidad y velocidad, así como analógica de alta potencia y precisión en el mismo CI, están abriendo las puertas a controladores de sensores totalmente integrados para ir más allá de un AFE de sensor e incluso integrar procesadores en un solo chip. La plataforma Treo es un buen ejemplo de ello. El paso a geometrías de proceso de semiconductores más bajas se traduce en tensiones de puerta más bajas. A diferencia de otros proveedores que utilizan un voltaje de puerta bajo de 1,8 V para los bloques analógicos en procesos de 180 nm o inferiores que requieren el uso de grandes circuitos de desacoplamiento de ruido en el chip que aumentan el tamaño de la matriz del CI, onsemi ha diseñado deliberadamente un voltaje de puerta de 3,3 V para los circuitos analógicos y de 1,2 V para las puertas lógicas digitales, obteniendo la mejor densidad, rendimiento y precisión para los CI de señal mixta, sin ruido ni problemas de fiabilidad a largo plazo.
Tendencias futuras en sensores industriales
Del mismo modo que la Industria 4.0 añadió digitalización, análisis en la nube e inteligencia a los sensores, la Industria 5.0 trata de la interacción entre humanos y máquinas en la planta de producción, posible gracias a los sensores con IA. A diferencia de los sensores de visión artificial, que necesitan procesadores de IA externos de gama alta de 25 TOPS (Tera Operations Per Second), todos los demás tipos de sensores necesitan motores aceleradores de IA y procesamiento digital de señales (DSP) integrados en los chips controladores de los sensores.
He aquí algunos ejemplos de controladores de sensores:
- NCS32100 Posición inductiva: El NCS32100 ofrece un controlador completo y una interfaz de sensor para la detección angular de alta resolución y alta precisión cuando se combina con un elemento sensor de placa de circuito impreso. El NCS32100 tiene capacidades de configuración flexibles que permiten la conexión a una variedad de patrones de sensores inductivos y ofrece una variedad de formatos de salida digital. Las técnicas de detección inductiva ofrecen ventajas exclusivas sobre las soluciones de sensores de posición tradicionales, entre las que se incluyen la tolerancia a la temperatura, la simplificación mecánica y la inmunidad a los contaminantes. Este controlador de sensor de posición inductivo ofrece soluciones de detección angular de alta resolución y precisión para codificadores de motor rotativo mediante algoritmos de aprendizaje adaptativo en el motor DSP integrado que desafían a los codificadores ópticos utilizados actualmente. Incorpora mediciones programables de índice, temperatura y batería, y admite la conexión a un controlador RS-485 externo. El NCS32100 es ideal para automatización industrial, robótica, control de motores y servoaplicaciones.
- NCV75215 Ultrasonidos: Nuestro controlador de sensores ultrasónicos puede utilizarse para detectar proximidad, presencia, caudal, concentración, fugas, presión, temperatura y nivel. Ofrecen detección sin contacto, alta resolución y la capacidad de medir en entornos difíciles. Esto es posible gracias al motor acelerador incorporado. También destacan en la limpieza de sensores (limpieza de lentes por ultrasonidos) y la detección acústica AI. Son ideales para aplicaciones de automatización industrial, navegación ambiental, control de procesos, medicina y ensayos no destructivos.
Los sensores industriales están a la vanguardia de la revolución de la automatización de la fabricación, ya que impulsan la productividad y la eficiencia al tiempo que apoyan la sostenibilidad, la seguridad y la calidad en diversas industrias. Los nuevos procesos de semiconductores de señal mixta, como la plataforma Treo de onsemi, permiten integrar en un solo chip el procesamiento digital de alta velocidad con la funcionalidad analógica de alto rendimiento. Nuestros innovadores productos de sensores que utilizan tecnologías inductivas, ultrasónicas, de imagen, de presión, bioquímicas y otras, abarcan desde AFEs de sensores hasta controladores de sensores y controladores de sensores habilitados para IA para satisfacer las demandas de las aplicaciones industriales modernas, proporcionando mediciones precisas y fiables y adaptándose (IA/ML) a las condiciones de funcionamiento cambiantes.