스마트 제조 세계의 물리적 인공 지능 시스템을 위한 산업용 센서 - 2부

앞서 스마트 제조에서 산업용 센서가 물리적 AI 시스템의 신경계로 어떻게 작동하는지 살펴봤습니다. 산업용 센서는 머신러닝 모델이 자율적인 의사 결정을 내리는 데 필요한 데이터를 제공합니다. 센서를 통한 실시간 피드백 루프를 통해 기계는 변화하는 조건에 적응하고 성능을 최적화할 수 있습니다. 이 두 번째 블로그에서는 산업용 센서가 어떻게 발전하여 스마트 제조에서 물리적 AI를 지원하는지 살펴봅니다.

인더스트리 4.0과 IoT 트렌드로 인해 생산성, 안전 및 예측 유지보수를 위한 지능형 센서가 폭발적으로 증가했으며 품질, 공장 업그레이드 및 생산 예측에 대한 지능적인 결정을 내리는 데 필요한 데이터를 제공하고 있습니다. 단순히 데이터를 측정하고 컨트롤러로 전송하여 의사 결정을 내리는 센서 대신, 새로운 센서는 지연 시간과 공장 처리량 개선에 대한 결정을 내릴 수 있습니다. 또한 인더스트리 5.0 또는 스마트 제조는 인간 중심의 접근 방식으로 크게 전환하여 인간과 로봇의 협업을 가능하게 하는 안전 센서와 공장이 사회에 미치는 부정적인 기후 영향을 줄이는 환경 센서의 확장을 주도하고 있습니다.

센서 혁신

센서를 구축하기 위해 시스템 설계자는 연산 증폭기(Op-Amp), 전압 레퍼런스, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 전원 관리, 중앙 프로세서 장치(CPU), 인터페이스 및 감지 소자와 함께 작동하여 아날로그 신호를 디지털화하고 처리하고 I/O 모듈과 연결하여 데이터를 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)로 보내는 시스템 기능 각각에 기성품 IC를 사용합니다. 프로세스 자동화의 센서는 일부 애플리케이션에서 ADC와 CPU 사이, CPU와 인터페이스 사이에 갈바닉 절연(옵션)이 필요할 수도 있습니다.

IC 공급업체는 애플리케이션별 아날로그 및 혼합 신호 블록을 연산 증폭기, 전압 레퍼런스, ADC 및 전원 관리가 포함된 단일 칩에 통합하여 이를 센서 아날로그 프런트 엔드(AFE)라고 부르며(그림 1 참조) 낮은 지연 시간, 향상된 정확도, 크기 및 사용 편의성을 구현합니다.

그림 1 센서 인터페이스에서 센서 컨트롤러로의 진화

새로운 감지 기술, 생산 처리량, 컨트롤러 없이도 독립적인 단일 센서 및 협업 멀티 센서 의사 결정을 내릴 수 있는 기능으로 인해 센서의 고정밀 AFE/ADC 및 마이크로 컨트롤러에 대한 요구가 높아졌습니다. 동일한 유선 또는 무선으로 전력과 데이터를 지원하고자 하는 욕구로 인해 OEM은 새로운 인터페이스 표준을 채택해야 했습니다. 마지막으로 AI/ML은 고객이 관심은 있지만 활용 방법을 모르는 놀라운 기회를 제공합니다.

고밀도 및 고속 디지털 로직과 고전력, 고정밀 아날로그를 동일한 IC에 결합하는 90nm 이하의 새로운 첨단 BCD(바이폴라 CMOS DMOS) 공정은 센서 AFE를 넘어 프로세서를 단일 칩에 통합하는 완전 통합 센서 컨트롤러의 가능성을 열어주고 있습니다. Treo 플랫폼은 이러한 프로세스의 좋은 예입니다. 더 낮은 반도체 공정 지오메트리로 내려가면 게이트 전압이 낮아집니다. 180nm 이하 공정에서 아날로그 블록에 낮은 1.8V 게이트 구동 전압을 사용하는 다른 공급업체와 달리 온세미는 칩에 큰 노이즈 디커플링 회로를 사용하여 IC 다이 크기를 확대해야 하는 다른 공급업체와 달리 의도적으로 아날로그 회로용 3.3V 게이트 드라이브와 디지털 논리 게이트용 1.2V를 설계하여 노이즈 및 장기적인 신뢰성 문제 없이 혼합 신호 IC에 최상의 밀도, 성능 및 정밀도를 얻을 수 있도록 합니다.

산업용 센서의 미래 트렌드

인더스트리 4.0이 센서에 디지털화, 클라우드 분석 및 인텔리전스를 추가한 것처럼, 인더스트리 5.0은 AI 지원 센서를 통해 공장 현장에서 인간과 기계가 함께 상호 작용하는 것을 의미합니다. 외부 하이엔드 25 TOPS(초당 테라 연산) 에지 AI 프로세서가 필요한 머신 비전 센서와 달리 다른 모든 유형의 센서는 센서 컨트롤러 칩 내부에 내장된 AI 및 디지털 신호 처리(DSP) 가속기 엔진이 필요합니다.

다음은 센서 컨트롤러의 몇 가지 예입니다:

• NCS32100 인덕티브 포지션: NCS32100은 인쇄 회로 기판 센서 소자와 함께 사용할 경우 고해상도 고정밀 각도 감지를 위한 모든 기능을 갖춘 컨트롤러 및 센서 인터페이스를 제공합니다. NCS32100은 다양한 유도 센서 패턴에 연결할 수 있는 유연한 구성 기능을 갖추고 있으며 다양한 디지털 출력 형식을 제공합니다. 유도성 감지 기술은 온도 허용 오차, 기계적 단순화, 오염 물질에 대한 내성 등 기존 위치 센서 솔루션에 비해 고유한 이점을 제공합니다. 이 유도식 위치 센서 컨트롤러는 현재 사용되는 광학 인코더의 문제를 해결하기 위해 온보드 DSP 엔진의 적응형 학습 알고리즘을 사용하여 회전 모터 인코더를 위한 고해상도, 고정밀 각도 감지 솔루션을 제공합니다. 프로그래밍 가능한 인덱스, 온도 및 배터리 측정 기능이 있으며 외부 RS-485 드라이버에 대한 연결을 지원합니다. NCS32100은 산업 자동화, 로봇 공학, 모터 제어 및 서보 애플리케이션에 이상적입니다.
• NCV75215 초음파: 초음파 센서 컨트롤러는 근접, 존재, 유량, 농도, 누출, 압력, 온도 및 레벨을 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 비접촉식 감지, 고해상도, 까다로운 환경에서도 측정할 수 있는 기능을 제공합니다. 이는 내장된 가속기 엔진을 통해 가능합니다. 이 컨트롤러는 센서 세척(초음파 렌즈 세척) 및 음향 AI 감지 기능도 뛰어납니다. 산업 자동화, 환경 내비게이션, 공정 제어, 의료 및 비파괴 검사 분야의 애플리케이션에 이상적입니다.

산업용 센서는 다양한 산업 분야에서 생산성과 효율성을 높이는 동시에 지속 가능성, 안전 및 품질을 지원하면서 제조 자동화 혁명의 최전선에 서 있습니다. 온세미 트레오 플랫폼과 같은 새로운 혼합 신호 반도체 프로세스를 통해 고속 디지털 처리와 고성능 아날로그 기능을 단일 칩에 통합할 수 있게 되었습니다. 유도, 초음파, 이미지, 압력, 생화학 및 기타 기술을 사용하는 혁신적인 센서 제품은 센서 AFE부터 센서 컨트롤러 및 AI 지원 센서 컨트롤러에 이르기까지 현대 산업 애플리케이션의 요구 사항을 충족하여 정확하고 안정적인 측정을 제공하고 변화하는 작동 조건에 적응(AI/ML)할 수 있습니다.