Разработка промышленной электроники: требования, распространенные технологии и методы проектирования

Промышленной электроникой называют электронные устройства и системы, применяемые в производстве товаров. Термин охватывает широкий спектр машин, компонентов и элементов систем, задействованных в производстве изделий: силовая электроника и преобразователи, электрические машины, электродвигатели и т.д. К таким устройствам относятся системы управления, датчики и измерительные приборы, коммуникационное оборудование, решения для промышленной автоматизации и многое другое.

Устройства для промышленного применения разрабатываются по тем же базовым принципам, что и потребительская или коммерческая электроника. Но есть и важные отличия. Наша команда имеет опыт разработки промышленной электроники, так что мы знаем о строгих требованиях к этому типу устройств. Мы можем помочь и с вашим проектом. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить детали.

При проектировании потребительской электроники инженеры стараются прежде всего максимально снизить себестоимость изделия и как можно скорее запустить его в серийное производство. Любые другие факторы вторичны. Однако при разработке встроенной электроники для промышленных задач важнейшим фактором является надежность. Ниже приведены ключевые особенности проектирования промышленной электроники.

• Отказоустойчивость
  

Люди часто считают те или иные потребительские устройства надежными. Однако перезагрузка компьютера или вызов мастера на дом – обычное дело. Ведь в потребительском секторе важнее всего сделать товар доступным.

Но если откажет промышленное оборудование, может остановиться вся производственная линия. А финансовые потери от простоя могут превысить стоимость самого этого оборудования. По той же причине промышленные устройства должны работать без ремонта гораздо дольше, чем их потребительские аналоги. Чтобы соблюсти эти требования, инженеры иначе подходят к проектированию плат: используют более прочные материалы, более надежные корпуса, компоненты более высокого класса и т.д. Правда, из-за этого разработка промышленной электроники дороже, чем проектирование потребительских аналогов.

• Защита от электромагнитных помех и перегрузок
  

На потребительских устройствах устанавливается определенная защита от помех. Но в повседневной жизни мы редко сталкиваемся с высоким уровнем шума. В отличие от обычной электроники, силовые цепи в промышленных платах должны проектироваться так, чтобы выдерживать мощные электромагнитные помехи. Кроме того, электроника, применяемая на производстве, должна выдерживать более высокие перегрузки, что делает такие платы еще дороже.

• Воздействие окружающей среды
  

Оборудование на производстве обычно работает в жестких условиях: вибрации, механическое воздействие, высокие или низкие температуры, влажность, пыль, химикаты и пр. Для защиты от этих факторов печатные платы делают толще или определенной формы, устанавливают на них амортизаторы, а также системы охлаждения или обогрева для поддержания нужной температуры и т.д. Водонепроницаемые корпуса со степенью защиты IP67 и выше могут защитить плату от воды и влажности. Для защиты от вибрации тяжелые компоненты могут фиксироваться на плате с помощью винтов.

Печатную плату также можно герметизировать с помощью конформного покрытия или заливки компаундами. В обоих методах применяются органические полимеры, которые обеспечивают электроизоляцию и некоторую степень устойчивости к термическому и химическому воздействию. Однако они дают разную степень защиты.

Конформное покрытие. При этом методе герметизации плату покрывают тонким непроводящим слоем – 25-250 микрон. Таким образом, защита повторяет форму платы и почти не меняет ее вес и геометрию. Даже минимальное изменение веса и габаритов платы сказывается на подвижных элементах оборудования. В то же время, поскольку в данном методе применяются разнообразные химические соединения, конформное покрытие часто используется и в производстве потребительской электроники.

Конформное покрытие обеспечивает защиту от стандартных атмосферных условий, а также кратковременного воздействия химикатов или высокой температуры. С более жесткими условиями такое покрытие не справится, но оно отличается дешевизной и простотой в изготовлении.

Заливка компаундами. При этом методе печатная плата помещается в корпус. Затем его заливают компаундом, который запечатывает устройство. Толщина такого полимерного слоя может достигать 0,5 мм и больше.

Заливка компаундом обеспечивает гораздо лучшую защиту, в особенности от механических воздействий и вибрации. Кроме того, плата полностью погружена в компаунд, а значит, ее конструкция скрыта от посторонних глаз. Наконец, толщины слоя достаточно для неплохой защиты от воды, химикатов и нештатных температур.

Однако заливка компаундом заметно увеличивает вес устройства. Кроме того, это сложный и дорогой метод защиты.

• Терморегулирование
  

Промышленное оборудование должно работать как можно дольше, не требуя ремонта или замены. Поэтому оно должно быть устойчивым к высоким температурам: чем выше температура, тем быстрее деградируют электронные компоненты. В таких устройствах используются компоненты промышленного класса, способные выдерживать более широкий диапазон температур, в том числе экстремальный холод. Если применение таких компонентов невозможно или недостаточно, устройство следует дополнительно оснастить системой охлаждения. Иногда дешевле использовать компоненты потребительского класса в сочетании с системой охлаждения, чем применять компоненты промышленного класса.

В потребительской электронике достаточную теплоотдачу часто обеспечивают медные контактные площадки и проводники. К тому же, в случае потребительских устройств температура в 80C° или даже 100C° считается нормальной. Однако при разработке встроенного аппаратного обеспечения для промышленности применяются большие радиаторы, тепловые трубки, кулеры, теплопроводящие заполнители, металлические корпуса и другие средства. Безусловно, такие платы сложнее и дороже обычных, но они служат дольше.

• Датчики и микроконтроллеры
  
  

Любая система управления состоит из датчиков, которые отслеживают те или иные состояния; микроконтроллера, который обрабатывает входные сигналы; и выходных каналов, которые передают команды на периферию. В промышленной электронике используются более надежные датчики и выходы, чем в потребительских устройствах. Иначе микроконтроллер может отдать периферии неправильную команду, что приведет к серьезным неполадкам, отказу оборудования и даже остановке производства.

Кроме того, датчики необходимо защитить от воздействия окружающей среды. Поэтому иногда их нельзя размещать прямо на плате, как это делается в потребительских устройствах. Часто элементы системы размещаются не на одном устройстве, а в нескольких точках на заводе или фабрике и соединяются с микроконтроллером с помощью проводной или беспроводной связи. Это лишь несколько особенностей, о которых нужно помнить при проектировании печатных плат для промышленного применения.

Как и любой другой бизнес, промышленные предприятия стремятся к максимальной прибыли и минимальным расходам. Разработка производственных процессов – т.е. оптимизация производственных циклов и производственных систем – часто преследует следующие цели:

• Оптимизация технологических процессов
  
  
• Экономия энергии
  
  
• Экономия сырья
  
  
• Прогностическое техобслуживание
  
  

Достичь этих целей помогают разные технологии.

В промышленной автоматизации широко применяются роботы и системы искусственного интеллекта (ИИ). Компьютерное зрение и оптические сканеры используются в системах контроля качества, системах подсчета на производственных линиях, а также для автоматической сортировки изделий. ИИ необходим для решений, способных распознавать и оценивать повреждения, для систем автоматического управления транспортными средствами и т.п. Распознавание голоса применяется в поисковых системах, в устройствах голосовой аутентификации и навигационном оборудовании. Многие системы прогностического техобслуживания и моделирования поломок основаны на ИИ и машинном обучении.

Использование Интернета вещей на производстве облегчает работу персонала, упрощая сбор информации с различных точек на фабрике. Неудивительно, что в 2021 г. мировой рынок промышленного Интернета вещей оценивался в $263 млрд. Эта технология позволяет объединять разные датчики и/или маячки в единую сеть и применяется для различных задач: для удаленного мониторинга оборудования и объектов, отслеживания активов и транспортных средств, управления персоналом, прогностического техобслуживания и защиты данных. Поскольку такие устройства работают совместно, для правильного функционирования им также необходимо сложное программное обеспечение.

Дополненная и виртуальная реальность применяются для обучения персонала с эффектом присутствия. Технология облачных вычислений позволяет хранить и обрабатывать большие объемы данных, поступающих с датчиков и оборудования. Различная силовая электроника, в том числе системы управления аккумуляторами и хранения энергии, позволяет оптимизировать расход электричества.

Наше портфолио насчитывает более 350 проектов, затрагивающих такие области, как Интернет вещей, искусственный интеллект, робототехника и другие. Свяжитесь с нашими менеджерами, чтобы узнать, как мы сможем помочь вашему предприятию.

Заказывая разработку аппаратного обеспечения, очень важно предоставить инженерам всю информацию о будущем устройстве или системе.

• Функциональные и другие требования
  
  

Эти требования описывают функции будущего устройства. Они помогают инженерам понять, какие задачи устройству предстоит решать. Важно также сообщить команде о требованиях к габаритам, весу и другим параметрам изделия. Эти требования одинаково важны как для проектирования потребительской, так и для разработки промышленной электроники.

• Условия эксплуатации
  
  

Многие потребительские устройства не предполагают использования в жестких условиях. Поэтому по умолчанию разработчики проектируют такие изделия с учетом стандартных условий эксплуатации.

Но промышленное оборудование всегда работает в нестандартных условиях, и команда должна знать, в каких. Как минимум, инженерам следует сообщить о том, с какой температурой, влажностью и уровнем вибрации столкнется устройство.

• Требования, специфические для отрасли
  
  

Некоторые требования могут проистекать из отраслевых норм и стандартов. Например, устройства, применяемые в нефтегазовой отрасли, должны отвечать соответствующим требованиям пожарной безопасности. В других отраслях требования могут касаться уровня электромагнитных помех, которые генерирует устройство, и т.д.

• Сертификационные требования
  
  

Любое промышленное устройство должно успешно пройти сертификационные испытания и отвечать соответствующим требованиям. Перед тем, как заказать разработку электроники в компании, надежнее всего сначала проконсультироваться в соответствующем аттестационном органе. Там подскажут, какие требования предъявляются к тому или иному типу изделий, и заказчик сможет передать список требований команде разработчиков.

Эта информация поможет инженерам выбрать подходящие компоненты и материалы, а также спроектировать устройство так, чтобы оно отвечало требованиям заказчика и соответствующим нормам. Эти сведения также позволят спроектировать устройство с учетом технологий производства и сборки (метод DFMA) и ускорят разработку встроенной электроники.

При разработке нового оборудования важно знать, какие испытания и сертификационные процедуры предстоят устройству. Ниже приведены некоторые сертификации, обычно необходимые для вывода промышленного оборудования на международный рынок:

• FCC – Федеральный сертификат США, обязательный для устройств, которые намеренно или ненамеренно генерируют радиоволны. Необходим для экспорта изделий в Соединенные Штаты.
  
• CE Marking – Сертификат, обязательный для экспорта товаров в Евросоюз. Служит доказательством того, что товар отвечает соответствующим директивам, в частности Директиве о безопасности машин и оборудования (Machinery Directive), Директиве о низковольтном оборудовании (Low-Voltage Directive), Директиве об электромагнитной совместимости (EMC Directive) и др.
  
• Директива RoHS 2 – Еще одна директива ЕС, регулирующая использование шести токсичных веществ в производстве электроники.
  
• ASTA – Международный сертификат, который преимущественно признается в странах Азии и Ближнего Востока.
  
• ANSI/CAN/UL 9540 – Североамериканский стандарт для энергоаккумулирующих систем и оборудования.
  
• UL – Сертификаты этой организации в основном касаются безопасности изделий и распространяются также на некоторые промышленные устройства.
  
• IECEx – Международная система сертификации, прохождение которой может потребоваться для получения сертификатов в некоторых странах.
  
• NFPA 70 ® - Региональный стандарт по безопасности прокладки кабелей и установки оборудования, применяемый в США.
  
• ETL Mark – Доказательство соответствия североамериканским стандартам безопасности.
  

Для допуска оборудования на российский рынок необходимо доказать соответствие изделия тем или иным стандартам ГОСТ и ГОСТ Р.

В каждой стране и отрасли существует множество стандартов и требований, и это лишь некоторые из них. Чтобы доказать, что устройство отвечает тем или иным требованиям, необходимо провести соответствующие тесты самостоятельно или обратиться в специализированную лабораторию.

Устройство анализа механических вибраций

В рамках данного проекта наша команда спроектировала устройство, которое получает данные со стандартных датчиков ускорения, устанавливаемых на промышленном оборудовании. Прибор переводит данные в значения скорости, ускорения и перемещения с выходом по напряжению 0-10 В или токовым выходом 4-20 мА. Устройство может применяться в системах прогностического техобслуживания.

По данным Next Group Strategy Consulting, мировой рынок оборудования для прогностического техобслуживания в 2021 г. оценивался в $5,65 млрд, а к 2030 г. вырастет до $64,25 млрд. Поэтому производители оборудования часто обращаются к разработчикам с подобными проектами.

При проектировании печатной платы в качестве микроконтроллера команда использовала STM32F4. Прошивка для МК была написана на C/C++ с помощью Microsoft Visual Studio и Eclipse IDE. Мы использовали высокочастотные и низкочастотные фильтры Баттерворта с максимально плоской амплитудно-частотной характеристикой. Для высоких частот команда также применила фильтр с бесконечной импульсной характеристикой. Это позволяет устройству обрабатывать даже сигналы с минимальной частотой. На выходе получается плавный сигнал, полностью соответствующий измерениям датчика. Чтобы увеличить скорость обработки у фильтров, мы использовали процессор с набором инструкций для цифровой обработки сигналов (DSP).

Устройство совместимо со стандартными датчиками ускорения и имеет USB-разъем для подключения к настроечной консоли, которая запускается с ПК. Прибор также оснащен источником тока на 4 мА для питания датчика ускорения: у большинства моделей нет собственного источника питания. Мы также добавили функцию автокалибровки, которая упрощает настройку устройства. Наконец, плата помещена в корпус с DIN-рейкой от компании Phoenix Contact, являющийся отраслевым стандартом.

Устройство отслеживания персонала для горнодобывающей промышленности

Коммуникационные технологии, которые традиционно используются для отслеживания местоположения, такие как GPS и Wi-Fi, плохо работают под землей. Поэтому заказчик, работающий с предприятиями горнодобывающей промышленности, обратился к нам для разработки решения, которое могло бы обойти эти ограничения. Кроме того, устройство должно было иметь низкое энергопотребление.

Мы спроектировали устройство-шлюз, которое шахтеры могут закрепить на поясе. В качестве микроконтроллера команда выбрала nRF52832 с поддержкой BLE 5.0 и ядром Cortex-M4F. В области шахты, за которой нужно установить наблюдение, размещаются Bluetooth-маячки. Устройство получает сигналы от маячков и по уровню сигналов рассчитывает расстояние до них.

Затем шлюз передает свой идентификатор на сервер по Wi-Fi. В случае потери соединения по Wi-Fi устройство использует 3G. Для этого оно оснащено модулем SIM5360. В отсутствие маячков этот модуль использует GPS.

Это позволяет отслеживать местоположение шахтеров под поверхностью с точностью до 1 метра. Встроенный в устройство акселерометр передает на сервер данные об активности персонала, позволяя руководству собирать статистические данные и повышать уровень безопасности в шахтах.

Для разработки прошивки на языке C/C++ мы использовали Microsoft Visual Studio с плагином Visual GDB. Устройство может работать до 7 дней без подзарядки. Плата помещена в водонепроницаемый корпус со степенью защиты IP67.

Настраиваемая платформа для отслеживания активов

Решения для отслеживания местоположения очень востребованы в коммерческом и промышленном секторах. Поэтому наша команда решила спроектировать настраиваемое устройство с базовым функционалом для отслеживания активов. Такое устройство можно настроить для конкретных бизнес-задач, что сокращает время разработки на 40-60%.

Система состоит из GPS-трекера и облачной платформы для хранения и отображения информации в реальном времени на устройствах iOS и Android.

В качестве микроконтроллера команда использовала STM32L452 с ядром Cortex-M4. Нам удалось сделать трекер очень маленьким – 40x40x6,8 мм без корпуса и аккумулятора. Его можно прикреплять к различным объектам или просто носить в кармане. Устройство оснащено датчиками температуры и влажности, акселерометром, гироскопом и GPS. Таким образом, трекер не только отслеживает местоположение актива, но и передает данные о его состоянии. Поэтому система подходит для отслеживания самых разных объектов, в том числе персонала, транспортных средств, контейнеров на складе и оборудования на фабриках. Она будет полезна как для коммерческих, так и для промышленных предприятий.

Устройство передает собранную информацию на облачный сервер по Bluetooth, Wi-Fi или GSM: плата оснащена коммуникационными интерфейсами BLE, Wi-Fi и GSM/HSPA. Для позиционирования внутри помещений сервер рассчитывает расстояние между трекером и маячками на основе мощности сигнала. Наконец, прибор имеет SD-карту для хранения координат объектов и данных с датчиков.

Точность позиционирования достигает 1 метра. Устройство может работать без подзарядки до 1 месяца.