Energiebesparende componenten verbeteren de industriële energie-efficiëntie

De afgelopen jaren lag de focus van het industriële Internet of Things (IIoT) en Industrie 4.0 volledig op subsystemen, componenten zoals sensoren en schakelaars, big data en interconnectiviteit. Naarmate de ontwikkeling van Industrie 4.0 zich voortzet, wordt energie-efficiëntie echter absoluut noodzakelijk om echte vooruitgang in Industrie 4.0 te laten gelden.

Industriële faciliteiten zijn grote energieverbruikers en de beschikbaarheid van betrouwbare stroom is van cruciaal belang voor geavanceerde productieprocessen. De industriële sector kan een aanzienlijke impact hebben op de wereldwijde duurzaamheid. Volgens het Internationaal Energieagentschap was de sector in 2016 goed voor 41,6% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik.

Stroom- en energiebeheer zijn nodig om het onderhoud te verbeteren en verstoringen met betrekking tot industriële robots tot een minimum te beperken in een markt waar elke seconde telt en stilstand moet worden vermeden. Nog belangrijker is echter dat efficiëntieverbeteringen het potentieel hebben voor substantiële besparingen op hulpbronnen.

Er zijn meerdere methoden beschikbaar om energie-efficiëntie te bereiken, inclusief maar niet beperkt tot de volgende:

• Plan productieprocessen om te volgen met pieken in energieopwekking uit hernieuwbare bronnen.

• Verhoog de efficiëntie van industriële robots door de snelheid waarmee ze werken te optimaliseren in plaats van ze alleen sneller te laten werken via programmeren, waardoor de besparingen met maximaal tot 30%.

• Gebruik 3D-printen om materiaalverspilling te verminderen.

• Verminder de energie die normaal gesproken wordt besteed aan onderhoud door een preventieve strategie te gebruiken.

• Installeer indien mogelijk slimme meters en controllers voor externe apparatuur.

• Implementeer een omgeving waarin alle mensen worden vervangen. Dit zorgt niet alleen voor energie-efficiëntie van de fabrieksvloer, maar ook van de daadwerkelijke energiesystemen binnen de faciliteit.

• Gebruik energiezuinige componenten.

Het is de combinatie van al deze inspanningen op het gebied van energie-efficiëntie die resultaten zullen opleveren, in plaats van slechts één methode te kiezen en te verwachten dat deze voldoende zal zijn.

Energiebesparende componenten

Er komen veel nieuwe producten op de markt die aanzienlijke energiebesparingen opleveren. Hieronder volgen voorbeelden.

Infineon Technologies AG speelt in op de snelgroeiende vraag naar energie-efficiënte siliciumcarbide (SiC)-oplossingen in stroomconversieprogramma's, zoals infrastructuur voor het opladen van batterijen, ononderbroken stroomvoorzieningen, motoraandrijvingen en energieopslag. Het bedrijf gebruikt bijvoorbeeld de ANPC-topologie voor zijn hybride SiC- en IGBT-voedingsmodule EasyPACK 2B in de 1200-V-familie.

De module heeft een verhoogde vermogensdichtheid en een schakelfrequentie tot 48 kHz, wat een systeemefficiëntie van meer dan 99% ondersteunt. De hybride Easy 2B power module weegt beduidend minder dan een bijbehorende omvormer met puur silicium componenten. Siliciumcarbideverliezen zijn kleiner dan silicium, waardoor er minder warmte kan worden afgevoerd en ook het koellichaam kan krimpen.

De hybride EasyPACK 2B-module heeft een verhoogde vermogensdichtheid en een schakelfrequentie tot 48 kHz. (Afbeelding:Infineon Technologies AG)

STMicroelectronics blijft energie-efficiëntie aanpakken met nieuwe producten zoals de STM32WBx5 dual-core draadloze microcontrollers (MCU's) en STM32G4 MCU's.

De STM32WBx5 draadloze MCU's leveren ultra-low-power prestaties en worden geleverd met Bluetooth 5, OpenThread en ZigBee 3.0-connectiviteit. Hoewel het product energiebewust is, kan het gelijktijdig draadloos protocol en realtime applicatie-uitvoering uitvoeren, geschikt voor externe sensoren, draagbare trackers, gebouwautomatiseringscontrollers, computerrandapparatuur, drones en IoT-apparaten. Functies omvatten meerdere energiebesparende modi, zoals 13-nA-uitschakelmodus, adaptieve spanningsschaling en een adaptieve realtime ART-versneller die de energie-efficiëntie maximaliseert en zorgt voor langdurige prestaties. Een geïntegreerde radiozender is geoptimaliseerd voor hoge RF-prestaties en een laag stroomverbruik om de batterijduur te maximaliseren.

STMicro's STM32WBx5 MCU's leveren ultra-low-power prestaties in combinatie met Bluetooth 5, OpenThread en ZigBee 3.0-connectiviteit. (Afbeelding:STMicroelectronics)

De nieuwe STM32G4-microcontrollers zijn gericht op geavanceerde digitale stroomtoepassingen, maar ook op consumenten- en industriële producten en introduceren twee nieuwe wiskundige hardwareversnellers die de verwerking van toepassingen stimuleren met behulp van Coordinate Rotation Digital Computer (CORDIC). CORDIC is een rekenkundig efficiënt algoritme voor het verwerken van elementaire wiskundige functies en ondersteunt verbeterde prestaties en energie-efficiëntie.

De MCU versnelt berekeningen voor energiebesparende motorregelingen en filtering voor signaalconditionering of digitale vermogensregeling. De versnellers berekenen resultaten sneller en efficiënter dan de algemene hoofdprocessor, waardoor de energie-efficiëntie toeneemt in een breed scala aan producten voor slimme fabrieken en slimme energietoepassingen.

De algoritmen van de STM32G4 verwerken elementaire wiskundige functies met hoge nauwkeurigheid en filterfuncties die betere prestaties en energie-efficiëntie ondersteunen. (Afbeelding:STMicroelectronics)

Microchip Technology Inc. heeft onlangs een Smart Embedded Vision aangekondigd initiatief dat FPGA-gecentreerde IP, hardware en tools biedt voor low-power, small-form-factor machine-vision-ontwerpen. De dochteronderneming van het bedrijf, Microsemi, onthulde tegelijkertijd een familie van low-power PolarFire FPGA's . Microsemi beweert dat PolarFire FPGA's 30% tot 50% lager vermogen leveren dan op SRAM gebaseerde FPGA's en 5x tot 10x lager statisch vermogen. Ze zijn geschikt voor gebruik in computerintensieve edge-apparaten en voor thermische en energiebeperkte omgevingen.

Microchip's Smart Embedded Vision levert IP, hardware en tools voor low-power machine vision. (Afbeelding:Microchip Technology Inc.)

Renesas Electronics Corp. heeft een microcontroller met één chip geïntroduceerd die is uitgerust met een EtherCAT-slavecontroller voor industriële Ethernet-toepassingen. De RX72M familie van MCU's biedt grotere geheugencapaciteiten voor industriële apparatuur die robuuste besturings- en communicatiefuncties vereist in toepassingen zoals energiezuinige compacte industriële robots, programmeerbare logische controllers (PLC's), externe I/O en industriële gateways. Renesas beweert dat het de eerste RX-microcontroller is met een EtherCAT-slavecontroller met 1 MB SRAM en 4 MB flashgeheugen.

De RX72M-apparaten zorgen voor ongeveer 50% reductie van het printplaatoppervlak in vergelijking met eerdere apparaten. (Afbeelding:Renesas Electronics Corp.)

Een andere belangrijke en opkomende trend is kunstmatige intelligentie (AI) om machine-intelligentie met een laag vermogen te leveren. Bijvoorbeeld Eta Compute's De nieuwste machine learning SoC, TENSAI, voert beeldclassificatie, zoekwoordherkenning en activeringswoorddetectie uit voor ingesloten oplossingen met ultralaag stroomverbruik.

De TENSAI-chip bevat Eta's vertragingsongevoelige logica, waardoor producten betrouwbaar kunnen werken bij de laagste voedingsspanning, wat resulteert in een zeer laag stroomverbruik. De toepassing voor beeldclassificatie verbruikt slechts 0,4 mJ per foto, wat een stroombesparing van 30x is in vergelijking met concurrerende resultaten. De DIAL-architectuur van het bedrijf combineert met zijn algoritmen machinale inferentie in honderden microwatts om machine-intelligentie aan de netwerkrand te leveren.

Samenvatting

De verwachting is dat industriële automatisering aanzienlijk zal groeien naarmate IoT-oplossingen traditionele productieoplossingen vervangen. Geavanceerde robotica en sensoren; AI en zijn subsets, inclusief machine learning en deep learning; cloud computing; en big data-analyse zal het landschap van de maakindustrie blijven veranderen. Sensoren aangedreven door trillingsenergie of lichtoogstende voedingen zullen de norm worden.

De kapitaalkosten van de middelen die nodig zijn om Industrie 4.0 in fabrieken uit te rollen, zullen potentiële besparingen op korte termijn compenseren. De systemen die communicatietechnologieën, actuatoren, sensoren, processors en meer zullen vervangen, zullen echter vertrouwen op relevante gegevens voor verbeterde efficiëntie, terwijl ze een fractie van de energie nodig hebben om te werken en op de lange termijn kostenbesparingen opleveren.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Electronic Products:"Energie-efficiëntie bereiken op de fabrieksvloer."