28.05.2020
Юваль Богер (по материалам RFIDJournal.com)

Приложения IIoT требуют новых способов доставки электропитания

Промышленный Интернет вещей (Industrial Internet of Things - IIoT) - это взаимосвязанные датчики, машины и другие устройства, объединенные в сеть, а также промышленные программные приложения, управляющие этими устройствами, установленные на компьютерах. Возможности подключения всех этих устройств в сеть позволяют собирать, обмениваться, автоматизировать и анализировать данные с минимальным участием человека. Промышленные отрасли, такие как производство, нефтедобывающая промышленность, химическое производство и энергетика, производство продуктов питания и напитков, транспорт, аэрокосмическая и автомобильная промышленность, сельское хозяйство, фармацевтика, металлургия, добыча полезных ископаемых и строительство могут получить огромные преимущества от использования IIoT-устройств.

Согласно аналитическим отчетам, в будущем промышленный Интернет вещей (IIoT) трансформирует многие индустрии, на которые приходится примерно две трети мирового экономического производства. Ожидается, что к 2030 году инновации в области IIoT приведут к экономическому росту в 14,2 триллиона долларов. Перспектива инноваций, которые позволяют устройствам и датчикам существенно повысить эффективность и безопасность и способствуют массовому сокращению издержек на производстве, впечатляет.

Однако, для того, чтобы этот успех стал реальностью, необходимо преодолеть определенные препятствия. Чтобы реализовать потенциал IIoT, нам необходимо решить ключевую проблему, которая в настоящее время ограничивает функциональность IIoT-устройств и замедляет развертывание промышленного Интернета вещей. Эта проблема - подача электропитания.

Вызовы и проблемы, которые нужно преодолеть

Из-за использования в промышленных условиях, развертывание IIoT сталкивается с уникальными проблемами внедрения по сравнению с развертыванием традиционного IoT в «умных» домах и офисах. Одним из уникальных аспектов является то, что существующих решений электропитания с использованием батарей недостаточно, потому что приложения промышленного Интернет вещей (IIoT) работают с большим объемом данных и требуют высокой надежности.

Использование датчиков имеет огромную важность на производстве, но замена батарей является очень обременительной процедурой, а использование проводных коммуникаций часто неудобно и нецелесообразно. Например, в распределительном центре необходимо отслеживать ящики по мере их продвижения по цепочке поставок. Поскольку распределительный центр может иметь площадь от 4000 до 300000 квадратных метров, батареи и провода неудобны, дороги и потенциально опасны. Какие-то датчики просто не могут питаться от провода, например, используемые на заводах для контроля производственных процессов в опасных условиях.

Как отмечают специалисты, постоянная замена батарей не является приемлемым решением. Для сетей подключенных датчиков энергопотребление, очевидно, будет значительно меньше, чем в случае подключенных исполнительных механизмов, поэтому объекты с питанием от батареи будут представлять подавляющее большинство развертываний. Это может оказаться крайне важным для распространения IIoT, так как многие приложения будут полагаться на датчики, которые были установлены в удаленных местах (и, следовательно, отправка инженеров на места для регулярной замены батарей будет затратной).

В дополнение к ограничениям, налагаемым на аппаратное обеспечение IIoT из-за работы от батареи, разработчики и производители разочарованы тем, что идеи, которые они представляют, не будут реализованы без преодоления этих проблем. Возможно, придется отказаться от каких-то интересных идей и возможностей только потому, что батарея устройства не имеет достаточной емкости для их реализации, или потому что реализация таких возможностей потребует очень частой замены батареи.

Есть ли решение у этой проблемы? Есть ли способ обеспечить надежное питание в удаленных местах и экстремальных условиях?

Приложения IIoT требуют новых способов доставки электропитания

Мощность часто является ограничивающим фактором для функциональности устройства, и эта ситуация только ухудшится с развертыванием сетей 5G. Более высокие частоты и скорости передачи данных увеличивают электропотребление. И здесь придется искать оптимальное соотношение для скорости и пропускной способности, обещанной 5G. И эти ограничения мощности будут тормозить инновации в сфере IIoT.

Как заявляют в Forbes: «Для создания экосистемы 5G-IoT будет необходимо автоматическое электропитание. Батареи и провода могут быть реальным решением для обеспечения питания IoT сейчас, но, поскольку объем IoT растет во всем мире, поддерживать его будет практически невозможно. Неисправная или разряженная батарея в датчике IoT, M2M или на автоматической заводской линии может стоить прибыли и создать проблемы безопасности и надежности. Критически важно обеспечить беспроводное питание - без проводов дистанционно».

Компании экспериментируют с альтернативными источниками энергии, но даже они не в полной мере решают текущие проблемы:

• Алкалиновые батарейки бытового уровня часто используются для питания бытовых устройств IoT. Они недорогие, но непрактичные для использования в большинстве промышленных сред. Алкалиновые батареи имеют ограниченный температурный диапазон (от 0 до 60 градусов по Цельсию), гофрированные уплотнения, которые подвержены утечкам, и высокую скорость саморазряда, что снижает ожидаемый срок службы до одного-двух лет.

• Первичные литиевые батареи промышленного класса имеют длительный срок службы и низкое среднесуточное потребление энергии, но они неперезаряжаемы.

• Такие технологии сбора энергии, как термоэлектрическая, электромагнитная и пьезоэлектрическая, все еще находятся в зачаточном состоянии и еще не получили значительного развития.

• Солнечная энергия дает определенные возможности, но уровни мощности не достаточно сильны, чтобы удовлетворить требования большинства устройств. Кроме того, солнечный свет не всегда доступен, и иногда солнечные панели закрыты. Как мы можем обеспечить электроэнергию, необходимую для питания IIoT в сложных промышленных условиях?

Беспроводной источник питания большой дальности, использующий инфракрасное излучение, может быть идеальным источником питания для беспроводной доставки энергии в промышленных условиях. Он может доставлять значительные объемы энергии при соблюдении всех стандартов безопасности потребителей. Он может работать в сложных условиях, не мешая Wi-Fi, 5G или другим механизмам передачи данных. Поскольку свет может распространяться в виде тонкого и прямого луча, такого как лазерная указка, уровни принимаемой мощности не уменьшаются с расстоянием, даже при использовании очень маленьких приемников мощности.

В будущем нам потребуется больше энергии, чем обеспечивают батареи, и больше свободы, чем предлагают шнуры питания. «Сегодня провода и негабаритные батареи определяют, что мы можем и не можем делать», - говорят в Fierce Electronics. «Предполагается, что IIoT создаст на фабриках стоимость на сумму 3,7 триллиона долларов, - считает McKinsey Consulting, - но это несбыточная мечта без беспроводной зарядки».

Склады и заводы нуждаются в беспроводном питании, чтобы помочь использовать возможности аналитики следующего поколения. В этом будущем появятся новые датчики и более продвинутые функции, и больше не нужно беспокоиться о потреблении энергии.

Поскольку промышленный Интернет соединяет машины и устройства в отраслях с высокими рисками, таких как нефтегазовая отрасль, производство электроэнергии и здравоохранение, где отказы системы или незапланированные простои могут привести к опасным для жизни ситуациям или ситуациям с высоким риском, решение этих проблем должно стать важной целью. Беспроводное питание может предоставить новые возможности для электропитания IIoT устройств, создавая тем самым возможности для инноваций.

Юваль Богер - директор по маркетингу Wi-Charge, ведущей компании в области беспроводной связи на большие расстояния. Юваль является экспертом в области технологий беспроводной связи и имеет опыт работы с крупными гостиничными сетями по внедрению этой технологии. Он получил степень MBA в школе Келлогг в Северо-Западном университете и степень магистра физики в университете Тель-Авива.

Статья переведена и подготовлена к публикации интернет-порталом ID Expert (www.idexpert.ru) 

Рейтинг статьи