Extrem hohe oder niedrige Temperaturen, hohe Drücke, starke Vibrationen oder Explosionsgefahr sind Beispiele für solche Belastungen. Bei industriellen Anwendungen verbessern hochentwickelte elektronische Steuerungen und Sensorkomponenten die Fertigungs-, Bearbeitungs- und Produktionsverfahren. Mit der Entwicklung des industriellen Internets der Dinge (IIoT) werden „intelligente“ vernetzte Produkte in einer größeren Bandbreite von Anwendungen und deren Umgebungen eingesetzt. Es handelt sich dabei häufig um äußerst anspruchsvolle Orte, an denen das IIoT bei der Überwachung von Schlüsselparametern helfen kann. Wenn Elektronik in industriellen Umgebungen oder rauen Anwendungen eingesetzt wird, in denen sie extremen Temperaturen und unter Umständen auch zerstörerisch starken magnetischen und elektrischen Feldern ausgesetzt ist, sollten entsprechende Systemdesigns diesen Bedingungen standhalten können. Die Prüfanforderungen müssen eingehalten werden, um sicherzustellen, dass die technische Anlage während der angegebenen Lebensdauer effektiv funktioniert.

Industrielles IoT für raue Umgebungen

Das Internet der Dinge erfordert den Einsatz ressourcenbeschränkter elektronischer Geräte in rauen Umgebungen. Intelligente Objekte sind häufig Hitze, Feuchtigkeit, mechanischer Beanspruchung, elektromagnetischer Strahlung und physischen Angriffen ausgesetzt, und einige dieser aggressiven Umgebungsvariablen können sich erheblich auf die Gesamtleistung von Systemen auswirken. So können z. B. Funkstörungen durch Wi-Fi- und Bluetooth-Netzwerke in der Nähe zu erheblichen Datenverlusten führen und die End-to-End-Latenzzeit sowie den Energieverbrauch erhöhen. Zeitlich und räumlich bedingte Temperaturschwankungen wirken sich auf die Leistung elektrischer und elektronischer Bauelemente aus und können einen erheblichen Einfluss auf Taktfehler, Batteriekapazität, Entladung und die Effizienz von stromsparenden Funkgeräten haben. Ungünstige klimatische Bedingungen haben in der Regel einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Energieeffizienz der IoT-Konnektivität und erschweren den Einsatz von IoT-Anwendungen. Es ist notwendig, Strategien zu entwickeln und Tools zu implementieren, die künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzen, um die Zuverlässigkeit von IoT-Systemen vorherzusagen und zu erhöhen. Viele Anwendungen im Bereich IIoT und industrielle Automatisierung erfordern den Einsatz von Elektronik, die für die Verwendung in rauen Umgebungen ausgelegt ist.

Eine raue Umgebung kann als eine Reihe von Bedingungen definiert werden, die Systeme im Laufe der Zeit physisch schädigen können. So verhält es sich auch bei Elektronik: Eine elektrische Schaltung kann beispielsweise leicht beschädigt oder zerstört werden, wenn sie Wasser oder übermäßiger Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Extreme Temperaturen, das Eindringen von Partikeln, elektrostatische Entladungen (ESD), elektromagnetische Störungen (EMI), Vibrationen und physische Einwirkungen sind allesamt potenziell schädlich.

Ein Beispiel ist der geothermische Gradient in Tiefbrunnen, wo sich die Geräte in einer rauen Umgebung befinden und zunehmend höheren Temperaturen standhalten müssen. Bauelemente für solche Anwendungen müssen bei Temperaturen von über 200 °C funktionieren und dabei ihre volle Leistung erbringen, da Ausfälle zu kostspieligen Stillstandszeiten der Anlagen führen.

Vibrationen sind eine der Hauptursachen für Systemausfälle und andere Betriebsprobleme bei elektronischen Geräten. Die Schwingungsdämpfung ist daher in vielen Industriezweigen ein wichtiges Element des Produktdesigns. Wenn nachteilige Bedingungen nicht unter Kontrolle gebracht werden, schädigen sie letztendlich das gesamte System.

Überlegungen zum Design für raue Industrieumgebungen

Die Spezifikationen eines Produkts richten sich nach den besonderen Umgebungsbedingungen, unter denen es eingesetzt wird. Um in einer rauen industriellen Umgebung bestehen zu können, müssen einige Überlegungen zum Design angestellt werden.

• Spannungstransienten lassen sich durch eine einfache und diskrete Schaltung bewältigen, die aus einer Seriensicherung mit einer TVS-Diode (Überspannungsbegrenzung), einer Zener-Diode oder Metalloxidvaristoren (MOV) besteht.
• Bedenken aufgrund extremer Temperaturen und Wärmefaktoren bei Halbleitern ergeben sich, wenn elektronische Geräte in einer luftdichten industriellen Innenumgebung untergebracht sind. Die Geräte geben Wärme ab und werden durch steigende Temperaturen geschädigt. Gehäuse mit niedrigem Wärmewiderstand und aktiver oder passiver Kühlung helfen, die Wärme vom Gerät wegzuleiten.
• Der Begriff „Eigensicherheit“ bezieht sich auf den Explosionsschutz, der die elektrische Schaltung abschirmt und die Energiemenge begrenzt, die beim Bruch von Bauelementen oder Leitungen freigesetzt wird. Ziel ist es, eine Zündung zu unterbinden.
• Das Design, der Steckmechanismus und die Kontaktanordnung des Anschlusses (Steckverbinderdesign) tragen alle zu dessen Robustheit bei.
• Systeme mit reduziertem Lebenszyklus-Energieverbrauch und geringeren Kosten.
• Erhöhte Lebensdauer durch reduzierte Verluste und thermische Belastung.
• Die Datenübertragung zwischen SPSen, Sensoren, Aktoren und Motoren findet unter rauen Bedingungen statt. Funk-Basisstationen im Freien, vernetzte Fertigungsstätten und IoT-Sensoren auf Industrieplattformen sind nur einige Beispiele für Verbindungen an der Eingangsstelle des Systems. Die richtigen Verbindungen müssen gut konstruiert sein, um gegen alle Umwelteinflüsse abzudichten und zu schützen – von Stößen und Vibrationen über Staub und Wasser bis hin zu EMI.

Schutzkonzept für elektrische und elektronische Bauelemente in rauen Umgebungen

Alle Schutzmethoden haben eine gemeinsame Regel: Bauelemente, die einer potenziell rauen Umgebung ausgesetzt sind, dürfen u. a. keinen unzulässigen Temperaturen, übermäßigen Strömen, Überspannungen oder Transienten ausgesetzt werden. Die meisten Spannungsschutzsysteme verwenden Dioden zur Überbrückung von Spannungsfehlern, was vor Frühausfällen zu Beginn eines Stromausfalls schützt. Außerdem sind Spannungsüberwachungs-ICs für den Über-/Unterspannungsschutz (OVP/UVP) zuständig. Sie überwachen die Systemversorgung oder Stromschienen kontinuierlich und alarmieren oder schalten nachgeschaltete Systeme ab. Integrierte Schutz-ICs und Strommessverstärker, Strombegrenzer, E-Sicherungen und optimale Diodenlösungen sind für den Überstromschutz (OCP) verantwortlich. Sie helfen bei der präzisen Kontrolle von Überlastströmen und benötigen minimalen Strom bei geringem Platzbedarf.

Elektrostatische Entladungen (ESD) werden durch ein Ladungsungleichgewicht ungleicher Materialien sowie durch elektromagnetische Störungen (EMI) verursacht, d. h. durch elektrisches Rauschen in der Schaltung, das von einer externen Quelle verursacht wird. Daraus ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit eines EMI/ESD-Schutzes und damit die langfristige Zuverlässigkeit des Designs. Der Einsatz von Gleichtaktfiltern zum EMI-Schutz in Verbindung mit aktuellen ESD-Schutztechnologien erhöht die Robustheit des Systems. Die Anforderungen an den Derating-Schutz und die Eigensicherheit erfordern eine sorgfältige Auswahl der verwendeten Bauelemente, damit diese bei einem typischen Fehler und unter typischen Betriebsbedingungen zwei Drittel ihrer Nennspannung, -leistung und -stromstärke nicht überschreiten. Sie müssen für die jeweilige Anwendung überdimensioniert sein, aber nicht so sehr, dass sie nicht den notwendigen Schutz bieten.

Normen zur Bewältigung rauer Umgebungsbedingungen

Bauelemente, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden, erfüllen Industriestandards wie NEMA- und IP-Schutzart (IEC 60529) und übertreffen oft Spezifikationen, die für Anwendungen im Bereich der Verteidigung, Luft- und Raumfahrt gelten. Die IP-Schutzart (Eindringschutz), die von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) im Rahmen der Norm IEC 60529 festgelegt wurde, bezeichnet die verschiedenen Arten und Klassen des Schutzes, den ein Gehäuse für Elektrik bietet. Die US-amerikanische Vereinigung National Electrical Manufacturers Association (NEMA) hat ebenso eine mit der IP-Schutzart vergleichbare allgemeine Norm für Schutzgehäuse, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

Die NEMA 250 formuliert Schutzarten für explosionsgefährdete und nicht-explosionsgefährdete Innen- und Außenbereiche und deckt einen größeren Umfang an rauen Bedingungen ab als die IP-Schutzart. Wasser und Fremdkörper wie Fasern oder Staub, aber auch korrosive Stoffe und Gase sind Beispiele für solche Situationen. Weitere Informationen zu Produkten gemäß IP und NEMA finden Sie hier.

Industrielle IoT-Anwendungen in rauen Umgebungen

Das IoT setzt stark ressourcenbeschränkte Datenverarbeitungsgeräte rauen Umgebungsbedingungen aus. Die Installation von IoT-Geräten und deren Vernetzung in rauen Umgebungen sind jedoch eine unglaubliche Herausforderung. Dazu gehören Faktoren wie die eingeschränkte Reichweite der Geräte, die Ausrichtung der Sende- und Empfangsgeräte untereinander und die hohe Abhängigkeit vom Ausbreitungsmedium. Um beispielsweise eine bestimmte Stelle in einer Flüssigkeit zu überwachen, müssen getauchte IoT-Geräte am Boden platziert oder mit einer Boje an der Oberfläche verbunden werden. Die von diesen Geräten gesammelten Daten müssen dann an die Außenwelt übertragen werden, was den Einsatz von Kommunikationstechnologie (akustisch, optisch, magnetisch induktiv oder hybrid) erfordert. Außerdem müssen die Sensordaten dieser IoT-Geräte mit Geo-Tags versehen werden, was den Einsatz präziser Lokalisierungsalgorithmen erfordert.

Aus allen diesen Gründen müssen industrielle Anwendungen diesen Richtlinien für raue Umgebungen entsprechen, um in Frage zu kommen. IIoT-fähige Maschinen sind Maschinen, die mit Sensoren und Software ausgestattet sind, welche Daten sammeln und organisieren können. Starke Cloud- oder Edge Computing-Systeme sind in der Lage, Daten in Echtzeit zu speichern und zu verarbeiten. Mithilfe von hochentwickelten Analyselösungen lassen sich Daten aus verbundenen Systemen sammeln und analysieren, um Entscheidungen in Bezug auf interne Abläufe, die Optimierung der Lieferkette, das Anlagenmanagement usw. zu treffen.

Entwickler verstehen die jeweilige Umgebung und Anwendung und entscheiden, welche Art von Schutz erforderlich ist. Farnell arbeitet mit vielen verschiedenen Lieferanten zusammen, die eine breite Palette von Produkten und Lösungen für raue Industrieumgebungen anbieten, wie z. B. Steckverbinder, Sensoren und Messwandler, Kabel und konfektionierte Kabel, Beleuchtungsprodukte und Gehäuse, die für die Realisierung von Designs, Entwicklungen und Projekten zur Verfügung stehen.