Akıllı Üretim Dünyasında Fiziksel Yapay Zeka Sistemleri için Endüstriyel Sensörler

Giriş

Akıllı üretim, dijital teknolojilerin geleneksel üretim süreçleriyle yakınlaşmasını temsil ediyor. Bu dönüşümün merkezinde, yapay zeka algoritmalarını robotik kollar, otomatik güdümlü araçlar (AGV) ve bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) makineleri gibi fiziksel sistemlerle entegre eden fiziksel yapay zeka (AI) yer almaktadır. Bu sistemlerin etkili olabilmesi için fiziksel ortamdan gerçek zamanlı verilere ihtiyaçları vardır - işte bu noktada sensörler devreye girer. Gözler ve kulaklar olarak çalışan endüstriyel sensörler, temel ölçüm cihazlarından ayrık ve proses otomasyonunun çeşitli yönlerini tespit edip izleyebilen sofistike sistemlere dönüşerek modern üretim ve otomasyonun vazgeçilmezi haline gelmiştir. Yapay zeka (görsel yapay zeka, akustik yapay zeka veya fiziksel yapay zeka) ile eşleştirildiğinde, endüstriyel sensörler üretim verimliliğini, güvenliği, dijital ikizleri ve analitiği geliştiren kendi kendine öğrenen fiziksel sistemler sağlar.

Bu 2 bölümlük blog serisi, tasarım mühendislerine yapay zeka destekli endüstriyel uygulamaları için doğru sensör ürünlerini seçmelerinde yardımcı olmayı amaçlamaktadır. Bu ilk blogda, çeşitli sensör türlerini ve uygulamalarını inceleyeceğiz. İkinci blogda ise endüstriyel sensörlerdeki yenilikler ile fiziksel yapay zeka sistemleri ve akıllı üretimde ortaya çıkan trendler ele alınacaktır.

Endüstriyel Sensörleri ve Nasıl Çalıştıklarını Anlamak

Endüstriyel sensörler mesafe, basınç, sıcaklık, akış, seviye, hareket, hız, ivme ve daha fazlası gibi fiziksel parametreleri algılayan ve işleyen cihazlardır. Üretim süreçlerini izlemek ve kontrol etmek için gerekli olan verileri toplarlar. Bu veriler daha sonra dijital/analog I/O ve iletişim modülleri aracılığıyla programlanabilir mantık kontrolörlerine (PLC) veya CNC'ye gönderilir.

Tipik bir endüstriyel sensörün (bkz. Şekil 1) temel bileşenleri arasında bir algılama elemanı, voltaj referansı, işlemsel yükselteç (OpAmp), analog-dijital dönüştürücü (ADC), işlemci, arayüz ve güç yönetimi bulunur. Algılama elemanı fiziksel bir parametreyi ölçer ve bunu voltaj, akım, direnç ve benzerleri gibi bir elektrik sinyaline dönüştürür.

Endüstriyel sensörler, tıpkı insan vücudundaki sinir sistemi gibi, yapay zeka ile fiziksel dünya arasında bir arayüz görevi görür. Dijital dünyanın fiziksel çevre ile etkileşime girmesi gerektiğinde, bu analog ve karışık sinyal sensörlerine ihtiyaç duyar. Yeni nesil endüstriyel otomasyon sistemleri yalnızca BT (Bilgi Teknolojisi) bulutunda YZ yeteneği içermekle kalmıyor, aynı zamanda sahada konuşlandırılan OT (Operasyonel Teknoloji) cihazlarına da YZ yerleştiriyor. Bu, yapay zeka algoritmalarının hızlı kararlar almak için sensörlerde ve PLC/robotlarda uçta kullanıldığı anlamına geliyor. Biz burada endüstriyel otomasyonda kullanılan sensörlere odaklanacağız.

Sensör Türleri

• Görüntü (Vision) Sensörleri: Görüntü sensörleri, varlığını, yönünü ve doğruluğunu belirlemek amacıyla üretilmekte olan bir ürünün görüntülerini ve videolarını yakalamak için kameralar kullanır. Kalite kontrol ve denetim için gereklidirler. Bu sensörler, bir ürünün birden fazla noktasını tek bir sensörle algılayabilir ve makine görüşü için destek sağlayabilir. onsemi’nin görüntü sensörleri ve kısa dalga kızılötesi kameraları, düşük güç tüketiminde mükemmel görüntü kalitesi sunar. Sisteminize her türlü akıllı fabrika ayarında en iyi sonuçları vermek için yüksek dinamik aralık ve düşük ışık performansı sunarlar.

• Konum ve Tork Sensörleri: Motor pozisyon kontrolü için Hall etkisi, kuvvet ve optik sensörler kullanılmış olsa da, mıknatıslar veya hassas dirençler gibi algılama elemanları veya optik enkoderler için karmaşık üretim ile toplam çözüm düşünüldüğünde bunlar çok pahalıdır. Yeni bir trend, hareket kontrolü ve robotik içeren uygulamalarda bir AFE ve kontrolör ile algılama elemanları olarak sargılı PCB'leri kullanan endüktif konum sensörlerini kullanmaktır. NCS32100 ve NCV77320, sıcaklık toleransı, mekanik basitleştirme ve kirleticilere karşı bağışıklık dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere geleneksel konum sensörlerine göre benzersiz avantajlara sahiptir.
• Ultrasonik Sensörler: Ultrasonik dalgalar kullanan bu sensörler mesafeyi ölçer. Şeffaf nesneleri algılamak için idealdirler (ışık sensörlerinin aksine) ve toz ve kirden etkilenmezler. Yakınlık sensörüne iyi bir örnek onsemi’in 25 cm'den 4,5 m'ye kadar olan nesneleri algılayabilen NCV75215'i. Otonom mobil robotlarda, ultrasonik sensörler navigasyon ve engellerden kaçınma için kullanılır. Ultrasonik algılama teknolojisi ayrıca proses otomasyonu uygulamalarında akışkanların akış ve seviye algılamasının yanı sıra bitmiş ürünlerin kalite kontrolünde hataların/çatlakların tespit edilmesi için de kullanılabilir.
• Fotoelektrik Sensörler: Bu sensörler nesneleri algılamak için ışık kullanır. Her biri benzersiz özelliklere ve uygulamalara sahip olan thrubeam, retroreflektif ve diffuse-reflektif tipler olarak sınıflandırılırlar. Fotoelektrik sensörler, temassız algılama, neredeyse tüm malzemeleri algılama ve görüş hattı ile uzun bir algılama mesafesini destekleme yetenekleriyle bilinir. Kızılötesi ve lazer teknolojilerini kullanırlar. İyi bir yansıtıcı sensör örneği, yüzey montajlı ve delikli paketlerde uyumlu bir silikon fototransistör ile yan yana kaplanmış 940nm kızılötesi yayıcı olan onsemi'nin basit QR1113'üdür.
• Yakınlık Sensörleri: Bu sensörler, elektromanyetik indüksiyon prensiplerini kullanarak metal nesneleri fiziksel temas olmadan algılar. Toz ve yağ gibi çevresel faktörlere karşı oldukça dayanıklıdırlar. Metal olmayan nesneler için ultrasonik ve fotoelektrik teknolojiler tercih edilir.
• Basınç Sensörleri: Basınç sensörleri, optimum çalışma koşullarını korumak ve sapmaları uyarmak için pnömatik, hidrolik veya temiz oda ortamlarında kullanılır. Tipik olarak, hataları iptal etmek ve basıncı küçük voltajlar cinsinden ölçmek için bir Wheatstone köprüsü konfigürasyonunda yapılandırılmış gerinim ölçerlere veya kuvvet dirençlerine dayanırlar.
• Sıcaklık Sensörleri: Sıcaklık sensörleri, gıda işlemeden makine işletimine kadar çeşitli sektörlerde sıcaklığı izler ve düzenler. Termokupllar ve direnç sıcaklık dedektörleri (RTD'ler), aşağıdaki gibi yarı iletken sıcaklık sensörleri ile birlikte yaygın olarak kullanılır onsemi’ADM1023.
• Çevresel Sensörler: Gaz ve kimyasal sensörler gibi çevresel sensörler, dikkatli olunması gereken ortamlarda belirli zehirli veya yanıcı gazları izler. Genellikle güvenlik sistemlerine entegre edilirler. Orijinal olarak otomotiv uygulamaları için tasarlanan NCV76124 gibi yağmur ve ışık sensörleri, ortamdaki partikül maddeyi tanımlamak için fotodiyotları kullanarak yansıyan ışığı gönderebilir ve ölçebilir. Veya RSL15 Bluetooth® 5.2 özellikli mikrodenetleyici ile birlikte sürekli glikoz izlemede (CGM) kullanılan CEM102 elektrokimyasal sensör analog ön ucu, çok düşük sistem güç tüketiminde çalışırken kimyasal akımdaki küçük değişiklikleri ölçebilir.

Temel Sensör Değerlendirmeleri

İşte akıllı üretimde fiziksel yapay zeka sistemlerini geliştirmek için doğru sensörleri seçerken dikkat edilmesi gereken ilk 5 husus:

1. Uygulamaya Özel Doğruluk ve Hız: Sensörler, ister gerçek zamanlı kalite denetimi, ister öngörücü bakım veya robotik kontrol olsun, belirli YZ görevinin hassasiyet ve hız gereksinimlerini karşılamalıdır.
2. Veri Kalitesi ve Güvenilirliği: Sensörler zaman içinde yapay zekanın kalıpları ortaya çıkarmak için analiz edebileceği büyük miktarda veri üretir. Tekrarlı olarak güvenilir veriler sağlayan sensörler, üretim ekosistemi genelinde çevik karar vermeyi desteklemek için yapay zeka modellerini eğitmek ve çalıştırmak için kritik öneme sahiptir.
3. Birlikte Çalışabilirlik ve Entegrasyon: Sensörler mevcut üretim sistemleriyle sorunsuz bir şekilde entegre olmalı ve standart saha veri yollarını ve iletişim protokollerini desteklemelidir. Bu, yeni yapay zeka özellikli sensörlerin minyatür olması ve birlikte çalışması gerektiği anlamına gelir.
4. Siber Güvenlik ve Veri Gizliliği: Ağa bağlı sensörler arttıkça, siber tehdit riskleri ve OT ve BT güvenliğine yönelik talepler de artmaktadır. Özellikle yapay zeka sistemleri karar vermek için sensörlerden gelen hassas operasyonel verilere güvendiğinde, uçta güvenli veri iletiminin sağlanması kritik önem taşır. Bu, tehditleri algılayabilen ve izole edebilen kendi kendini kalibre eden ve yedekli sensörler ile sağlanır.
5. Sürdürülebilirlik ve Enerji Verimliliği: Fiziksel yapay zeka için sensör sayısını artırırken, operatörlerin hala güç bütçesinin altında olması gerekir ve düşük çalışma akımında çalışan sensörler ölçeklenebilirlik için bir avantaj sağlar.