תעשיית האינטרנט של הדברים תשפר התייעלות תעשייתית באמצעות ניתוח נתונים מרובים.
כיצד ניתן לקצר את התהליכים?
שי סייפן-אלטמן, מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS
זה ידרוש שיפורים עצומים במערכות אלקטרוניות כדי להגביר מהירות, לייעל את צריכת החשמל, להפחית הפרעות אלקטרומגנטיות, ולהבטיח אמינות חומרה ותוכנה. המורכבות של משימה זו היא עצומה וניתן להתגבר על כך ע”י שימוש בכלי סימולציה. היום אנחנו חיים בעולם המבוסס על קישוריות ותקשורת, רשתות מתפתחות של מערכות אלקטרוניות ומכשירים עוזרת לנו לנווט בימינו. בעוד סמארטפונים, טאבלטים ומחשבי אלקטרוניקה לבישים מאוד נפוצים בחיינו, מהפכה גדולה קורמת עור וגידים בזירה התעשייתית. חברות מובילות נמצאים במרוץ כדי ליהנות מהאינטרנט התעשייתי של הדברים (IIoT) או Industry , מתרבים מהשקעות ב-2012 עד מוערך בשנת 2020. הם מצפים להפיק תועלת משוערת 1.7 טריליון $ בשווי נקי המצטבר של 1 IIoT.
ישנן הרבה מטרות שאפתניות, מטרת האינטרנט התעשייתי היא לשפר את היעילות התעשייתית באמצעות ניתוח נתונים מרובים. על ידי איסוף כמויות עצומות של נתונים באמצעות רשתות של חיישנים מתוחכמים, אפשר לצפות לשיפור אמינות המוצר, להגדיל את ניצול המפעל, לספק יותר תובנות ויכולת קבלת החלטות גבוה יותר. כל התעשייה תרוויח: לדוגמה, מפעילי ציוד תעשייתי יוכלו לבצע ניבוי תחזוקה; רופאים יוכלו לנצל מערכות משולבות כדי לשפר טיפול ותוצאות המטופל; ערים ישתמשו בנתונים בזמן אמת כדי לייעל דפוסי תנועה; תשתפר אספקת השירותים האזרחיים להפחתת זיהום.
מר ולדימיר וולפין מייסד EM Infinity
הזדמנויות גדולות, אתגרים גדולים
בעוד תעשיית האינטרנט מהווה הזדמנויות גדולות, ישנם אתגרים משמעותיים. מערכות אינטרנט תעשייתיות לא חייבות להיות רק חדשניות ובעלות ביצועים טובים, אבל גם מאוד אמינות ובמחיר סביר. כיצד צוותי מהנדסים יכולים להתמודד עם הלחצים הללו? לפחות ארבעה דורות, מסתמכות חברות מובילות על פיתוח מוצר והשקת המוצרים שלהם במהירות, חסכון, ועם מידת אמון גבוהה שהם יבצעו כצפוי בעולם האמיתי. עיצוב מערכות חזקות עבור האינטרנט התעשייתי ידרוש מהמהנדסים למקסם מהירות ואמינות תקשורת אלחוטית, לשפר את יעילות האנרגיה, לייעל את ביצועי המערכות האלחוטיות, להבטיח פתרון למבנים ובעיות תרמיות ולשפר את אבטחת תוכנה. המשך הכתבה תספק תובנה רבה יותר על האתגרים הללו, כמו גם כמה דוגמאות טכניות.
מהירות רוחב פס
ערים חכמות, רכבים אוטונומיים ושירותים יום יומיים ידרשו נתונים בזמן אמת לצורך קבלת החלטות. לדוגמא, התוכן האלקטרוני במכוניות צפוי לגדול בכ-6.5 אחוזים בשנה בין השנים 2014 ועד 2019, מהר יותר מאשר כל קטגורית צרכנות אחרת2. פיקוד, בקרה ערים חכמות, רכבים אוטונומיים ושירותים יום יומיים ידרשו נתונים בזמן אמת לצורך קבלת החלטות. לדוגמא, התוכן האלקטרוני במכוניות צפוי לגדול בכ-6.5 אחוזים בשנה בין השנים 2014 ועד 2019, מהר יותר מאשר כל קטגורית צרכנות אחרת2. פיקוד, בקרה וטכנולוגיות תקשורת הולכות להיות נושא מכריע, ודורשים רשתות תשתיות מהירות הבנויות משרתים, נתבים ומתגים מהירים. תכנון מעגלים מודפסים (PCB) ומעגלים משולבים (IC) מציבים אתגרים משמעותיים עבור היישומים האלה.
בין אם בתכנון PCB או IC, מהנדסים חייבים לאזן את הדרישות של שלושה תחומים נרחבים המשפיעים על אמינות המוצר – אלקטרוניקה, תרמיים וביצועים מכניים. מהנדס גם צריך לבצע סימולציות בין האינטראקציות בין הPCB, IC-PACKAGE והסיליקון (IC). הבטחת אמינות חשמלית דורשת ניתוח של כדי למזער רעשים, CROSSTALK ובעיות EMC. בהתייחסו לאמינות תרמית נדרשת סימולציה כדי להעריך את ההשפעה של טמפרטורות המעגלים והקשר בין המעגלים לרכיבים המותקנים, על מנת להבטיח כי המכשירים פועלים על פני טווח ההפעלה. אמינות מכנית דורשת סימולציות מתח תרמי להעריך האם המעגל החשמלי וחיבורי ההלחמה בין המעגל החשמלי לרכיבים יעמוד בתנאי חום ועיוותים מכניים.
בנוסף לביצוע סימולציות נקודתיות של תחום אחד ללא התייחסות לתחומים האחרים, מהנדסים חייבים לשקול את יחסי הגומלין בין דיסציפלינות הפיזיקליות שונות, צימוד של ניתוח אותות חשמליים עם סימולציות תרמיות וחיבור סימולציות תרמיות עם אנליזה מכאנית. שיטה זו מספקת נקודת מבט הוליסטית של אמינות תכנון המערכת. מהנדסים יכולים להשתמש בכלים של ANSYS שנותנות פתרון מלא לכל הבעיות הפיזיקליות שיש בתכנון מערכת. ANSYS מציע זרימת עבודה יעילה כדי לדמות מערכת משולבת PCB, PACKAGE וסיליקון. שיטת העבודה מאפשרת למהנדסים להפחית מקורות הפרעה אלקטרומגנטית (EMI), לשפר בעיות בפריקה אלקטרוסטטית (ESD) ולתכנן את המעגלים והשבבים שבונים את המחשבים ופתרונות הענן בעולם המחשוב.
-
- איור 1. ההשקעת ב- IIoT גדלה.
-
- איור 2. קיים מגוון רחב של אתגרים לפיתוח של IIoT שניתן להתגבר עם סימולציה .
-
- איור 3. הבטחת תקשורת במהירות גבוהה ואמינה דורשת ניתוח של SI & PI ל-DDR IO
אופטימיזציה לאספקת כוח וצריכה
עם מיליארדי מכשירים תלויי אנרגיה, אופטימיזציה של אספקת הכוח והצריכה היא גורם קריטי עבור האינטרנט התעשייתי. פתרון מאובטח וחכם מבחינת אנרגיה לרשת תדרוש מיליוני חיישנים לקבלת החלטות מושכלות ולהעביר אותם בצורה אופטימלית, החיישנים יכולים להיות חיישנים אלחוטיים ללא מקור אנרגיה קבוע אלא אל ידי סוללה ולכן חייבות להיות עם צריכה אופטימלית (חיישן במצב רדום). מכשירים רפואיים מושתלים בגוף האדם וכלי רכב אוטונומיים גם ידרשו חיישנים חסכוניים באנרגיה. מהנדסים יכולים להשתמש בכלי סימולציה של ANSYS MAXWELL לתכנון טעינה אלחוטית וקצירת אנרגיה אשר תשמש ברוב מערכות אלו. משום שמעגלים משולבים הם בלב מהפכת האלקטרוניקה, מהנדסים חייבים לשים לב לתכנון שבבים. תכנון מעגלים משולבים מתחיל עם אופטימיזציה של קוד Verilog, VHDL ו-RTL. על ידי ביצוע שינויים בקוד RTL מהנדסים יכולים להפחית את צריכת החשמל באופן משמעותי בשבב. אבל עם מספר אלמנטים שהולך וגובר רמת אופטימיזציה היא משימה מרתיעה. כלי סימולציה כמו Power Artist יכולים לזהות איזה שינוי RTL יעזור עם חסכון באנרגיה.
-
- איור 4. מהנדסים ממדטרוניק בשימוש סימולציה מקסוול של ANSYS יכלו לקבוע כי מערכת הטעינה עבור מוצר חדש מיצר רמות חשיפה הרבה מתחת לגבול מפורט בתקנה.
-
- איור 5. חלק מהתמונה
-
- איור 6 – דפוס הקרינה האידיאלי בצורת סופגנייה של חיישן מופר בסביבה תעשייתית בשל מבנים סמוך לאנטנה. סימולציה יכולה לזהות ולמתן בעיות אלה .באדיבות ESSS
יעילות צריכת החשמל אינה מסתיימת בתכנון השבב. כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר, מהנדסים צריכים לקחת בחשבון את כלל המערכת, כולל אנטנה ומערכות אלחוטיות. מערכת עם אנטנה מתואמת יכולה לספק טווחי תקשורת טובים יותר וחיי סוללה ארוכים יותר. לדוגמא, סימולציה מאפשרת למדל ביצועים של אנטנות בסביבה פתוחה וסטרילית, בתוך מארז המכשיר ולאחר מכן ליד ראש אדם. כל אחד מסביבות הסימולציה תיתן עקומת קרינה שונה וביצועיים שונים. בלהישאר בקשר כדי לנצל את מלוא היתרונות של האינטרנט התעשייתי, חיישנים אלחוטיים ורשתות יפורשו בתוך מפעלים מודרניים ותחבורה. אבל זה מהווה אתגרים עבור קישוריות אלחוטית. הביצועים האלחוטיים של אנטנות יכולים להיות שונים מאוד כאשר אנטנות מותקנות בסביבה תעשייתית או רכב, בהשוואה לסביבה סטרילית. צימוד בין האנטנות, דעיכת האות בגלל ערוץ מרובה החזרות הם רק חלק מהתופעות שנוצרות על ידי הנוכחות של אנטנות אחרות, גיאומטריה וחומרים של המבנים וניידות של מערכות הללו גורמים לערוץ התקשורת להיפגע. לדוגמא, כאשר רשת חיישנים אלחוטית נפרסה בבית חרושת, כל חיישן משתמש באנטנה דיפול לתקשר עם חיישנים אחרים. דפוס הקרינה האידיאלי של אנטנת דיפול דומה לסופגנייה, אבל כאשר נפרוס בסביבה תעשייתית המבנים התעשייתיים המורכבים יגרמו לעיוות של עקום הקרינה, להפחתת יעילות האנטנה שמובילה לביצועים נמוכים וכישלונות.
אז, כיצד מהנדסים יכולים להבטיח קישוריות אלחוטית אמינה בתוך סביבה תעשייתית, או על מכונית, מטוס או ספינה מבלי להיזקק לזמן רב לבנות ולבחון? שימוש ב-ANSYS SAVANT ,ANSYS HFSS מהנדסים יכולים לבצע סימולציה לבדיקת שדה קרוב כדי למתן את ההשפעות של הסביבה התעשייתית על ביצועי האנטנות ומכשירים אלחוטיים. בעזרת מנועי הסימולציה:
(Finite Element Method (FEM
Domain Decomposition
(3-D Method of Moments (MoM
Hybrid MoM+FEM
(Shooting and Bouncing Ray (SBR
ניתן לפתור בעיות גדולות ומסובכות. בעזרת כלי הסימולציה נקבל תובנה גדולה יותר של המערכת ושיפור אמינות, דיוק ועלויות.
הפניות:
[1] Floyer, D. Wikibon, wikibon.org/wiki/v/Defining_and_Sizing_the_Industrial_ Internet (09/01/2015), Defining and Sizing the Industrial Internet
[2] evertiq.evertiq.com/design/36385 (09/01/2015), IC Growth for Automotive, Cellphones, IoT Remains Solid
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. ניסיון של מעל 12 שנים בפיתוח בתחום מיקרוגלים, אנטנות וסימולציות אלקטרומגנטיות, כולל בתחום הביו-רפואי ו-IoT. מייסד EM Infinity.
שי סייפן-אלטמן בעל תואר ראשון בהנדסת חשמל מאוניברסיטת בן גוריון עם ניסיון מעל 15 שנים בפיתוח. מתמחה בסימולציות אלקטרומגנטיות. מהנדס אפליקציות בחברת ANSYS.
לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות המקומית של חברת ANSYS
