Industrie 4.0, Künstliche Intelligenz und IoT in der Fertigung

Wenn es um Elektronik geht, erhalten Verbrauchergeräte wie Smartphones und Alexa oft die ganze Aufmerksamkeit. Doch laut Alun Morgan bei der Ventec International Group werden „etwa 23% der weltweit produzierten Leiterplatten in der Elektronikausrüstung für Fertigungsanwendungen verwendet.“ Die Zahlen steigen nur noch, wenn man andere Nicht-Verbraucherkategorien hinzuzählt, die Fertigungsoperationen unterstützen, wie Automobilindustrie, Telekommunikation, Energieerzeugung/-verteilung und Computing. Westliche Hersteller haben weitgehend akzeptiert, dass eine Rückverlagerung der Produktion nur durch eine größere Automatisierung und Produktivität auf dem Fabrikboden erfolgen wird. Dies ist das Wesen von Industrie 4.0, wo Fabrikoperationen intelligenter und vernetzter sind als je zuvor.

Wo können Hersteller also weiterhin Kosten senken und durch Rückverlagerung größere Produktivitätsvorteile sehen? Es gibt eine Reihe von Antworten auf diese Frage, besonders wenn man fortgeschrittene Fertigungstechnologien wie den 3D-Druck betrachtet. Eines ist allen klar: Die Fertigungsoperationen für viele Produkte werden in naher Zukunft weiter digitalisiert. Diese Ebene der Digitalisierung erfordert Leiterplatten, um Ausrüstung zu betreiben und Daten zu sammeln, sowie Technologie, um Daten schnell zu verarbeiten und nützliche Einsichten zu gewinnen. In der Industrie 4.0 wird künstliche Intelligenz (KI) entscheidend sein, um Operationen zu verwalten und Daten zu verarbeiten, letztendlich den Managern und Ingenieuren Einsichten bereitzustellen.

Design für Industrie 4.0 und KI

Das Entwerfen eines neuen KI-Systems zur Unterstützung von Fertigungsprozessen ist ebenso sehr eine Hardware-Herausforderung wie eine Software-Aufgabe. Beide Bereiche ergänzen sich; eine eingebettete Platine muss so gestaltet sein, dass sie die eingebettete Software unterstützt, während die eingebettete Software nicht so ressourcenintensiv sein sollte, dass sie andere Funktionen auf der Platine beeinträchtigt. Das bedeutet, dass jedes Fertigungselement und die Systeme, die die Datenerfassung/-verarbeitung unterstützen, zu einem eingebetteten IoT-Ökosystem werden, in dem Daten an einem zentralen Ort oder in der Cloud verarbeitet werden.

In der Industrie 4.0 wird erwartet, dass Hersteller deutlich mehr Daten als je zuvor generieren, da mehr Fertigungselemente vernetzt werden. Diese Vernetzung wird durch neue Industriestandards für den Datenaustausch ermöglicht, wie zum Beispiel den IPC-CFX-Standard. Jede Fertigungsoperation, die ihre Anlagen vernetzen und Daten über jeden Fertigungsprozess aggregieren möchte, benötigt eine Vielzahl von eingebetteten IoT-Geräten in einer Fabrik.

Eingebettete IoT-Designanforderungen für Industrie 4.0

Neue eingebettete IoT-Geräte können KI-Anwendungen unterstützen, wenn sie einige grundlegende Hardwareanforderungen erfüllen. Diese eingebetteten Geräte sind spezialisierte Einplatinencomputer, die Standard-KI/ML-Modelle unterstützen können, während sie die Kommunikation von Daten über Standardprotokolle ermöglichen. Hier sind einige grundlegende Anforderungen, die beim Entwurf neuer Systeme für Fertigungsoperationen in der Industrie 4.0 berücksichtigt werden sollten:

• Verarbeitungsleistung: Hierbei geht es weniger um die Taktfrequenz als vielmehr um parallele Verarbeitung. Ein System mit mehr Kernen/Prozessor oder das geclustert werden kann, ermöglicht eine schnellere Verarbeitung und Nutzung von Daten in KI-Modellen.
• Onboard-Speicher: Die benötigte Menge an Speicher hängt von der spezifischen Anwendung ab. Ein System zur Bildverarbeitung benötigt mehr Speicher als ein System zur Verarbeitung numerischer Daten.
• Schnittstelle zu anderen Sensoren: Daten müssen möglicherweise von Umweltsensoren, direkt von Sensoren in Fertigungsanlagen oder von einer Vielfalt anderer Sensoren erfasst werden.
• Kommunikationsfähigkeiten: Diese müssen basierend auf der erforderlichen Kommunikationsreichweite ausgewählt werden. NB-IoT, LoRaWAN, LTE-M oder ein anderes drahtloses Protokoll können für die Langstreckenkommunikation verwendet werden, während Bluetooth LE, WiFi oder Ethernet üblich für die Kurzstreckenkommunikation sind.

Modulares Design für Industrie 4.0 KI-Systeme

Kosten senken und die Produktivität steigern bedeutet, ein neues System schnell einzuführen und zu konfigurieren. Die meisten Fertigungsingenieure sind keine Leiterplatten-Designer, aber diese wichtige Klasse von Ingenieuren kann schnell neue KI-Produkte für Fertigungsoperationen erstellen, indem sie einen modularen Ansatz für das Elektronikdesign nutzen. Diese Art von Designmerkmalen ermöglicht es jedem Systemdesigner, Rechen-, Sensor- und Kommunikationsschnittstellen in einem benutzerdefinierten System für KI-Anwendungen in der Fertigung zusammenzuführen.

Diese Werkzeuge nutzen standardisierte Rechenschnittstellen und die standardisierten elektrischen Verbindungen zwischen ihnen. Computer-on-Modules (COMs), Systems-on-Module (SoMs) und andere Hardware für KI-Anwendungen auf dem Fabrikboden können auf einer benutzerdefinierten Platine auf modulare Weise verbunden werden. Einige Optionen für SBCs und COMs, die auf dem Fabrikboden verwendet werden sollten, sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Branchenstandard-EDA-Tools können Designern helfen, schnell neue Platinen mit Standard-Layout und Routing-Funktionen zu entwerfen, aber nicht alle Ingenieure in diesem Bereich sind Spezialisten für EDA-Software. Die Verwendung einer modularen Designplattform wie dem Upverter Board Builder ermöglicht es jedem, von einem Embedded-Software-Entwickler bis hin zu KI-Unternehmern, datenintensive KI-Anwendungen in weniger Zeit zu erstellen.

In der Upverter-Designplattform kann ein Designer Module grafisch in einer webbasierten Schnittstelle einfach miteinander verbinden. Es gibt keine Tools zum Herunterladen und Installieren, und es stehen viele standardisierte Module innerhalb der Plattform zur Verfügung. Dies ermöglicht es Ihnen, schnell ein neues Industrie 4.0 Künstliche Intelligenz-Produkt mit einer der oben genannten KI-Hardwareplattformen zu erstellen und schnell zur Fertigung zu bringen.

Die modularen Elektronik-Design-Tools in Upverter (früher als Geppetto bekannt) geben Ihnen Zugang zu einer breiten Palette von branchenüblichen COMs und beliebten Modulen, die es Ihnen ermöglichen, produktionsreife Hardware für Industrie 4.0 Künstliche Intelligenz-Anwendungen zu erstellen. Sie können auch in wenigen Minuten neue Produkte bauen. Wenn Ihr System zusätzliche Funktionalität benötigt, können Sie drahtlose Konnektivität, eine Reihe von Sensoren, hochauflösende Kameras und eine Anzahl von Standard-COMs einbeziehen.

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