Cảm biến công nghiệp cho hệ thống trí tuệ nhân tạo vật lý trong thế giới sản xuất thông minh – Phần 2

Trước đây, chúng ta đã tìm hiểu cách các cảm biến công nghiệp hoạt động như hệ thần kinh của các hệ thống AI vật lý trong sản xuất thông minh. Chúng cung cấp dữ liệu cần thiết cho các mô hình học máy để đưa ra quyết định tự động. Các vòng phản hồi thời gian thực được hỗ trợ bởi cảm biến cho phép máy móc thích ứng với điều kiện thay đổi và tối ưu hóa hiệu suất. Trong bài viết blog thứ hai này, chúng ta sẽ đi sâu vào cách các cảm biến công nghiệp phát triển và thúc đẩy AI vật lý trong sản xuất thông minh.

Các xu hướng của Cách mạng Công nghiệp 4.0 và IoT đã dẫn đến sự bùng nổ của các cảm biến thông minh nhằm nâng cao năng suất, an toàn và bảo trì dự đoán, đồng thời cung cấp dữ liệu để đưa ra các quyết định thông minh về chất lượng, nâng cấp nhà máy và dự báo sản xuất. Thay vì các cảm biến chỉ đo lường và gửi dữ liệu đến bộ điều khiển để ra quyết định, các cảm biến mới có thể tự động cải thiện độ trễ và năng suất nhà máy. Ngoài ra, Công nghiệp 5.0 hoặc sản xuất thông minh đang chuyển hướng mạnh mẽ sang tiếp cận lấy con người làm trung tâm, thúc đẩy việc mở rộng cảm biến an toàn để cho phép con người và robot làm việc cùng nhau, cũng như cảm biến môi trường giúp giảm tác động tiêu cực của nhà máy đối với xã hội.

Công nghệ cảm biến

Để thiết kế một cảm biến, các nhà thiết kế hệ thống sẽ sử dụng các IC có sẵn trên thị trường cho từng thành phần như bộ khuếch đại hoạt động (Op-Amp), nguồn tham chiếu điện áp, bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC), quản lý nguồn, bộ xử lý trung tâm (CPU), giao diện và các chức năng hệ thống làm việc với phần tử cảm biến để số hóa tín hiệu analog, xử lý và kết nối với các mô-đun I/O để gửi dữ liệu đến bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Các cảm biến trong tự động hóa quá trình có thể cần cách ly galvanic tùy chọn trong một số ứng dụng giữa ADC và CPU, cũng như giữa CPU và giao diện.

Các nhà cung cấp IC đã tích hợp các khối tín hiệu analog và tín hiệu hỗn hợp chuyên dụng vào một chip duy nhất, bao gồm mạch khuếch đại op-amp, nguồn tham chiếu điện áp, bộ chuyển đổi analog-digital (ADC) và quản lý nguồn, gọi là giao diện analog phía trước (AFE) cho cảm biến (xem Hình 1) để đạt được độ trễ thấp, độ chính xác cao hơn, kích thước nhỏ gọn và dễ sử dụng.

Hình 1: Sự phát triển từ Giao diện cảm biến đến Bộ điều khiển cảm biến

Các công nghệ cảm biến mới, năng suất sản xuất và khả năng đưa ra quyết định độc lập bằng cảm biến đơn lẻ hoặc hợp tác giữa nhiều cảm biến mà không cần bộ điều khiển đã đẩy nhu cầu về các bộ chuyển đổi tín hiệu analog-digital (AFE/ADC) và bộ vi điều khiển có độ chính xác cao trong cảm biến. Mong muốn truyền tải cả nguồn điện và dữ liệu trên cùng một dây hoặc không dây đã buộc các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) phải áp dụng các tiêu chuẩn giao diện mới. Cuối cùng, trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) mang lại những cơ hội đáng kể mà khách hàng quan tâm, nhưng họ chưa biết cách khai thác.

Các quy trình BCD (Bipolar CMOS DMOS) tiên tiến mới dưới 90 nm, kết hợp logic số mật độ cao và tốc độ cao cùng với analog công suất cao, độ chính xác cao trên cùng một IC, đang mở ra cơ hội cho các bộ điều khiển cảm biến tích hợp hoàn toàn vượt ra ngoài phạm vi của một bộ tiền khuếch đại cảm biến (AFE) và thậm chí tích hợp bộ xử lý vào một chip duy nhất. Nền tảng Treo là một ví dụ điển hình của quy trình này. Việc chuyển sang các kích thước quy trình bán dẫn nhỏ hơn dẫn đến điện áp cổng thấp hơn. Khác với các nhà cung cấp khác sử dụng điện áp cổng 1.8 V cho các khối analog trong các quy trình dưới 180 nm, điều này đòi hỏi phải sử dụng mạch cách ly nhiễu lớn trên chip, làm tăng kích thước die IC, onsemi đã thiết kế điện áp cổng 3.3 V cho mạch analog và 1.2 V cho cổng logic kỹ thuật số, đạt được mật độ, hiệu suất và độ chính xác tối ưu cho IC tín hiệu hỗn hợp, mà không gặp vấn đề về nhiễu và độ tin cậy lâu dài.

Xu hướng tương lai của cảm biến công nghiệp

Giống như Cách mạng Công nghiệp 4.0 đã tích hợp số hóa, phân tích đám mây và trí tuệ nhân tạo vào cảm biến, Cách mạng Công nghiệp 5.0 tập trung vào sự tương tác giữa con người và máy móc trên dây chuyền sản xuất, điều này được thực hiện nhờ các cảm biến được trang bị trí tuệ nhân tạo. Khác với các cảm biến thị giác máy cần bộ xử lý AI biên cao cấp 25 TOPS (Tera Operations Per Second), tất cả các loại cảm biến khác đều cần tích hợp AI và bộ gia tốc xử lý tín hiệu số (DSP) bên trong chip điều khiển cảm biến.

Dưới đây là một số ví dụ về bộ điều khiển cảm biến:

• NCS32100 Cảm biến vị trí cảm ứng: NCS32100 cung cấp một bộ điều khiển và giao diện cảm biến đầy đủ tính năng cho việc đo góc với độ phân giải cao và độ chính xác cao khi kết hợp với cảm biến mạch in. NCS32100 có khả năng cấu hình linh hoạt, cho phép kết nối với nhiều mẫu cảm biến cảm ứng từ và cung cấp nhiều định dạng đầu ra kỹ thuật số. Công nghệ cảm biến cảm ứng từ mang lại những ưu điểm độc đáo so với các giải pháp cảm biến vị trí truyền thống, bao gồm nhưng không giới hạn ở khả năng chịu nhiệt, đơn giản hóa cơ khí và khả năng chống lại các chất gây ô nhiễm. Bộ điều khiển cảm biến vị trí cảm ứng này cung cấp giải pháp cảm biến góc độ phân giải cao, độ chính xác cao cho bộ mã hóa động cơ quay bằng cách sử dụng các thuật toán học thích ứng trên bộ xử lý tín hiệu số (DSP) tích hợp, thách thức các bộ mã hóa quang học hiện đang được sử dụng. Nó có các tính năng đo lường chỉ số, nhiệt độ và pin có thể lập trình và hỗ trợ kết nối với bộ điều khiển RS-485 bên ngoài. NCS32100 lý tưởng cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp, robot, điều khiển động cơ và hệ thống servo.
• NCV75215 Siêu âmBộ điều khiển cảm biến siêu âm của chúng tôi có thể được sử dụng để phát hiện khoảng cách, sự hiện diện, lưu lượng, nồng độ, rò rỉ, áp suất, nhiệt độ và mức độ. Chúng cung cấp khả năng phát hiện không tiếp xúc, độ phân giải cao và khả năng đo lường trong môi trường khắc nghiệt. Điều này được thực hiện nhờ động cơ gia tốc tích hợp. Bộ điều khiển cũng nổi bật trong việc làm sạch cảm biến (làm sạch ống kính siêu âm) và cảm biến AI âm thanh. Chúng lý tưởng cho các ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp, điều hướng môi trường, kiểm soát quá trình, y tế và kiểm tra không phá hủy.

Cảm biến công nghiệp đang dẫn đầu cuộc cách mạng tự động hóa sản xuất, góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả đồng thời hỗ trợ tính bền vững, an toàn và chất lượng trong nhiều ngành công nghiệp. Các quy trình bán dẫn tín hiệu hỗn hợp mới như nền tảng onsemi Treo đang cho phép tích hợp xử lý kỹ thuật số tốc độ cao với chức năng analog hiệu suất cao vào một chip duy nhất. Các sản phẩm cảm biến sáng tạo của chúng tôi sử dụng công nghệ cảm biến cảm ứng, siêu âm, hình ảnh, áp suất, sinh hóa và các công nghệ khác, bao gồm từ mạch tiền khuếch đại cảm biến (AFE) đến bộ điều khiển cảm biến và bộ điều khiển cảm biến tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), nhằm đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại, cung cấp đo lường chính xác và đáng tin cậy, đồng thời thích ứng (AI/ML) với điều kiện hoạt động thay đổi.