Sensor Industri untuk Sistem AI Fisik dalam Dunia Manufaktur Cerdas

Pendahuluan

Manufaktur pintar mewakili konvergensi teknologi digital dengan proses manufaktur tradisional. Inti dari transformasi ini adalah kecerdasan buatan (AI) fisik, yang mengintegrasikan algoritme AI dengan sistem fisik, seperti lengan robotik, kendaraan berpemandu otomatis (AGV), dan mesin kontrol numerik komputer (CNC). Agar sistem ini efektif, mereka membutuhkan data waktu nyata dari lingkungan fisik - di sinilah sensor berperan. Bekerja sebagai mata dan telinga, sensor industri telah menjadi sangat diperlukan dalam manufaktur dan otomatisasi modern, bertransformasi dari perangkat pengukuran dasar menjadi sistem canggih yang mampu mendeteksi dan memantau berbagai aspek otomatisasi diskrit dan proses. Ketika dipasangkan dengan AI (AI penglihatan, AI akustik, atau AI fisik), sensor industri memungkinkan sistem fisik belajar mandiri yang meningkatkan produktivitas manufaktur, keselamatan, kembar digital, dan analitik.

Seri blog 2 bagian ini ditujukan untuk membantu para insinyur desain dalam memilih produk sensor yang tepat untuk aplikasi industri berkemampuan AI. Dalam blog pertama ini, kita akan mempelajari berbagai jenis sensor dan aplikasinya. Blog kedua akan membahas inovasi dalam sensor industri dan tren yang muncul dalam sistem AI fisik dan manufaktur pintar.

Memahami Sensor Industri dan Cara Kerjanya

Sensor industri adalah perangkat yang merasakan dan memproses parameter fisik seperti jarak, tekanan, suhu, aliran, level, gerakan, kecepatan, akselerasi, dan lainnya. Sensor ini mengumpulkan data yang penting untuk memantau dan mengendalikan proses manufaktur. Data ini kemudian dikirim ke pengontrol logika yang dapat diprogram (PLC) atau CNC melalui I/O digital/analog dan modul komunikasi.

Komponen utama dari sensor industri yang umum (lihat Gambar 1) meliputi elemen penginderaan, referensi tegangan, penguat operasional (OpAmp), konverter analog-ke-digital (ADC), prosesor, antarmuka, dan manajemen daya. Elemen penginderaan mengukur parameter fisik dan mengubahnya menjadi sinyal listrik seperti tegangan, arus, hambatan, dan sejenisnya.

Sensor industri bertindak sebagai antarmuka antara AI dan dunia fisik, seperti sistem saraf dalam tubuh manusia. Ketika dunia digital perlu berinteraksi dengan lingkungan fisik, maka dibutuhkan sensor sinyal analog dan campuran ini. Sistem otomasi industri generasi mendatang tidak hanya mencakup kemampuan AI di cloud IT (Teknologi Informasi), tetapi juga menyematkan AI di perangkat OT (Teknologi Operasional) yang digunakan di lapangan. Ini berarti algoritme AI digunakan di bagian tepi pada sensor dan PLC/robot untuk membuat keputusan yang cepat. Kami akan fokus pada sensor yang digunakan dalam otomasi industri di sini.

Jenis-jenis Sensor

• Sensor Gambar (Penglihatan): Sensor gambar menggunakan kamera untuk menangkap gambar dan video produk yang sedang diproduksi untuk menentukan keberadaan, orientasi, dan akurasi. Sensor ini sangat penting untuk kontrol kualitas dan inspeksi. Sensor ini dapat mendeteksi beberapa titik produk dengan satu sensor dan memberikan dukungan untuk visi mesin. onsemi’Sensor gambar dan kamera inframerah gelombang pendek menghasilkan kualitas gambar yang sangat baik dengan konsumsi daya yang rendah. Kamera ini menawarkan rentang dinamis yang tinggi dan performa rendah cahaya untuk memberikan hasil terbaik pada sistem Anda dalam pengaturan pabrik yang cerdas.

• Sensor Posisi & Torsi: Meskipun efek Hall, gaya, dan sensor optik telah digunakan untuk kontrol posisi motor, namun ini sangat mahal ketika Anda mempertimbangkan solusi total dengan elemen penginderaan seperti magnet atau resistor presisi atau manufaktur yang rumit untuk pembuat enkoder optik. Tren baru menggunakan sensor posisi induktif yang menggunakan PCB dengan belitan sebagai elemen penginderaan dengan AFE dan pengontrol dalam aplikasi yang melibatkan kontrol gerak dan robotika. NCS32100 dan NCV77320 memiliki keunggulan unik dibandingkan sensor posisi tradisional termasuk tetapi tidak terbatas pada toleransi suhu, penyederhanaan mekanis, dan kekebalan terhadap kontaminan.
• Sensor Ultrasonik: Memanfaatkan gelombang ultrasonik, sensor ini mengukur jarak. Sensor ini ideal untuk mendeteksi objek transparan (tidak seperti sensor cahaya) dan tidak terpengaruh oleh debu dan kotoran. Contoh yang baik dari sensor jarak adalah onsemi’NCV75215 yang dapat mendeteksi objek dari jarak 25cm hingga 4,5m. Pada robot bergerak otonom, sensor ultrasonik digunakan untuk navigasi dan penghindaran rintangan. Teknologi penginderaan ultrasonik juga dapat digunakan untuk penginderaan aliran dan level cairan dalam aplikasi otomasi proses, serta mendeteksi kesalahan/retakan dalam pemeriksaan kualitas produk jadi.
• Sensor Fotolistrik: Sensor ini menggunakan cahaya untuk mendeteksi objek. Sensor ini diklasifikasikan ke dalam jenis thrubeam, retroreflektif dan diffuse-reflective, masing-masing dengan fitur dan aplikasi yang unik. Sensor fotolistrik dikenal dengan deteksi non-kontak, kemampuan untuk mendeteksi hampir semua bahan dan mendukung jarak deteksi yang jauh dengan garis pandang. Sensor ini menggunakan teknologi inframerah dan laser. Contoh sensor reflektif yang baik adalah QR1113 sederhana dari Onsemi, pemancar inframerah 940nm yang dibungkus berdampingan dengan fototransistor silikon yang kompatibel dalam paket pemasangan di permukaan dan melalui lubang.
• Sensor Jarak: Sensor ini mendeteksi benda logam tanpa kontak fisik, menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Sensor ini sangat tahan terhadap faktor lingkungan seperti debu dan minyak. Teknologi ultrasonik dan fotolistrik lebih disukai untuk objek non-logam.
• Sensor Tekanan: Sensor tekanan digunakan di lingkungan pneumatik, hidrolik, atau ruang bersih untuk menjaga kondisi operasi yang optimal dan memperingatkan penyimpangan. Sensor ini biasanya didasarkan pada pengukur regangan atau resistor gaya yang dikonfigurasikan dalam konfigurasi jembatan Wheatstone untuk meniadakan kesalahan dan mengukur tekanan dalam tegangan kecil.
• Sensor Suhu: Sensor suhu memantau dan mengatur suhu di berbagai industri, mulai dari pemrosesan makanan hingga pengoperasian mesin. Termokopel dan detektor suhu resistansi (RTD) biasanya digunakan bersama dengan sensor suhu semikonduktor seperti onsemi’s ADM1023.
• Sensor Lingkungan: Sensor lingkungan seperti sensor gas dan bahan kimia memantau gas beracun atau mudah terbakar tertentu di lingkungan yang memerlukan kewaspadaan. Sensor ini sering kali diintegrasikan ke dalam sistem keselamatan. Sensor hujan dan cahaya seperti NCV76124 yang awalnya dirancang untuk aplikasi otomotif dapat mengirim dan mengukur cahaya yang dipantulkan menggunakan fotodioda untuk mengidentifikasi materi partikulat di lingkungan. Atau front-end analog sensor elektrokimia CEM102 yang digunakan dalam pemantauan glukosa kontinu (CGM) bersama dengan mikrokontroler berkemampuan Bluetooth® 5.2 RSL15 dapat mengukur perubahan kecil dalam arus kimia saat beroperasi pada konsumsi daya sistem yang sangat rendah.

Pertimbangan Sensor Utama

Berikut ini adalah 5 pertimbangan utama ketika memilih sensor yang tepat untuk meningkatkan sistem AI fisik dalam manufaktur cerdas:

1. Akurasi dan Kecepatan Spesifik Aplikasi: Sensor harus memenuhi persyaratan presisi dan kecepatan dari tugas AI tertentu-apakah itu pemeriksaan kualitas waktu nyata, pemeliharaan prediktif, atau kontrol robotik.
2. Kualitas dan Keandalan Data: Sensor menghasilkan data dalam jumlah besar dari waktu ke waktu yang dapat dianalisis oleh AI untuk mengungkap pola. Sensor yang memberikan data yang dapat diandalkan secara berulang sangat penting untuk melatih dan menjalankan model AI guna mendukung pengambilan keputusan yang gesit di seluruh ekosistem manufaktur.
3. Interoperabilitas dan Integrasi: Sensor harus terintegrasi secara mulus dengan sistem manufaktur yang ada dan mendukung bus lapangan standar dan protokol komunikasi. Ini berarti sensor baru yang mendukung AI harus berukuran mini dan dapat dioperasikan.
4. Keamanan Siber dan Privasi Data: Seiring dengan pertumbuhan sensor jaringan, begitu pula dengan risiko ancaman siber dan tuntutan terhadap keamanan PL dan TI. Memastikan transmisi data yang aman di tepi sangat penting, terutama ketika sistem AI mengandalkan data operasional yang sensitif dari sensor untuk pengambilan keputusan. Hal ini dicapai dengan sensor yang dapat mengkalibrasi sendiri dan berlebihan yang dapat mendeteksi dan mengisolasi ancaman.
5. Keberlanjutan dan Efisiensi Energi: Sementara memperluas jumlah sensor untuk AI fisik, operator masih harus berada di bawah anggaran daya dan sensor yang beroperasi pada arus operasi rendah memberikan keuntungan untuk skalabilitas.