Internet Industriel des Objets IIOT : Pouvez-vous supporter la chaleur?

L'Internet des objets industriel (IIoT) a permis une transformation numérique et bouleversé les segments industriels à bien des égards. Contrairement aux produits commerciaux et industriels typiques, ces appareils robustes connectés doivent bien fonctionner dans des environnements difficiles.

Exploration pétrolière et gazière
Infrastructures 5G extérieures
Réseaux électriques intelligents à distance

La ruée vers l'or du pétrole et du gaz

En fournissant des capacités de surveillance et d'analyse des données à distance, l'IIoT aidera l'industrie à accroître son efficacité, ses bénéfices et sa fiabilité. Selon le cabinet d'études de marché McKinsey, les revenus liés aux améliorations de l'IIoT pourraient atteindre 11,1 billions de dollars par an en valeur économique d'ici 2025.

Les sites d'exploration pétrolière et gazière sont généralement éloignés et difficiles d'accès. Avec de nombreuses plates-formes pétrolières et sociétés de forage pétrolier en mer opérant dans des environnements difficiles et dangereux, les travailleurs ont des problèmes de santé et de sécurité car ces machines et équipements fonctionnent dans des conditions de chaleur et de froid extrêmes. Pour générer des bénéfices, les exploitants de ces sites sont motivés à réduire le temps non productif (NPT) qui pourrait générer des milliards de dollars en raison de problèmes tels que les pannes de machines de forage et d'équipement SCADA, les déversements, les arrêts d'urgence, les problèmes de pipeline et les défis des sites éloignés. la gestion. Dans le même temps, il existe une incitation à réduire les coûts d’exploitation en minimisant les activités des travailleurs sur site grâce à la surveillance à distance.

L'IIoT peut numériser et automatiser le processus en fournissant une surveillance de site à distance en temps réel et 24h / 24 et des données pour la maintenance préventive, ce qui permet de minimiser les arrêts de la machine. Alors que traditionnellement les travailleurs effectuent la collecte manuelle des données et la maintenance des machines, l'IIoT réduit les déplacements vers les sites distants, minimise les accidents sur le chantier et augmente le temps de fonctionnement des machines… parfois de manière significative. Le pétrole et le gaz étant très gourmands en actifs, l'IIoT peut également fournir un suivi et une surveillance des actifs pour garantir une utilisation élevée.

Figure 1: Défis de la plate-forme pétrolière et gazière et potentiel d'amélioration de l'IIoT

Pour éviter les arrêts de travail, les machines et équipements utilisés doivent être extrêmement fiables avec une longue durée de vie (MTBF long) et fonctionner de manière fiable dans des environnements extrêmes. Les temps d'arrêt dus à une panne d'équipement peuvent être très coûteux à la fois en temps perdu pour l'analyse et la réparation des pannes, ainsi que le coût d'opportunité de la capacité inactive de la plateforme pétrolière.

Le passage de la 4G à la 5G

La super vitesse 5G, prenant en charge 20 Gbps, devient une réalité. Il révolutionnera de nombreuses industries, notamment les villes intelligentes, la conduite autonome et l'assistance à la chirurgie à distance en médecine, permettant des applications qui n'étaient pas possibles auparavant. De nombreuses entreprises et instituts de recherche ont déjà lancé l'expérience de la ville intelligente. À titre d'exemple, il a été démontré que dans une ville intelligente, la vision par ordinateur et l'apprentissage automatique peuvent être utilisés avec une caméra intelligente installée au sommet d'un lampadaire intelligent capable de surveiller le trafic. De plus, il peut faire la différence entre un vélo et une automobile et peut compter les véhicules. Lorsque la circulation est lente ou bloquée, le réverbère intelligent communiquera à un écran pour rediriger le trafic. Lorsqu'une ambulance passe, les feux de signalisation intelligents se synchronisent pour permettre à l'ambulance de passer. L'hôpital ou la clinique à proximité sera alerté à l'avance de l'approche de l'ambulance avec l'état du patient à l'avance afin que les soignants soient prêts.

Alors, comment la 4G va-t-elle passer à la 5G? De nouvelles tours de téléphonie cellulaire doivent être construites, mais cela ne se fera pas du jour au lendemain. Initialement, l'infrastructure 4G sera partagée avec une capacité 5G supplémentaire. Ensuite, il sera transféré vers de nouvelles tours de téléphonie cellulaire 5G. Les opérateurs 5G se précipitent pour être parmi les premiers à fournir de tels services. Un service fiable est essentiel. Les équipements extérieurs 5G, y compris les dispositifs de passerelle, devront fonctionner de manière fiable dans toutes les conditions météorologiques. Les pannes d'équipement doivent être évitées à tout prix. Les pannes d'électricité ne font pas que perdre des revenus, elles peuvent également signifier une perte irréversible de leadership et de part de marché. Par conséquent, il est essentiel d'utiliser des équipements avec un temps moyen entre les pannes (MTBF) élevé. Dans les environnements extérieurs, les équipements 5G et les passerelles doivent avoir un petit facteur de forme pour s'adapter aux petits espaces disponibles sur les tours cellulaires.

L'avènement des réseaux électriques intelligents

Le réseau électrique existe depuis de nombreuses années. Sa fonction de base est de fournir l'énergie électrique des centrales électriques aux utilisateurs résidentiels et industriels. L'IIoT transfère le réseau dans un réseau électrique intelligent qui permet une meilleure communication, y compris un accès plus rapide aux données et une utilisation plus efficace de l'énergie propre et intelligente lorsque la demande est faible. Selon un rapport SAS de 2019, 57% des services publics utilisent une certaine forme d'IoT, ce qui implique que le marché est prêt.

L'IIoT a le potentiel de permettre une meilleure efficacité du réseau électrique de plusieurs manières:

Les compteurs intelligents peuvent mesurer et communiquer la consommation d'électricité aux entreprises de services publics en temps réel via des réseaux.
Surveillez le réseau avec des capteurs pour signaler les problèmes et les dommages causés par les tempêtes.
Analyse pour prédire la surutilisation par temps chaud et éviter les pannes de courant.
Gestion des énergies renouvelables. Avec l'avancement de l'énergie et des équipements solaires, le réseau intelligent permettra une meilleure utilisation et un meilleur commerce entre les entreprises de services publics et les clients dotés de panneaux solaires. Lorsque les clients génèrent un surplus d'électricité, ils peuvent le vendre aux sociétés de services publics.

Le fonctionnement du réseau intelligent dépend de la connexion au cloud et doit disposer d'une communication fiable dans des environnements extrêmes. Par conséquent, l'équipement doit fonctionner de manière fiable 24 heures sur 24, 7 jours sur 7 avec un minimum de maintenance, car la plupart des réseaux se trouvent dans des régions éloignées – envoyer une équipe pour effectuer la maintenance de routine peut être coûteux. L'équipement doit être compact, fonctionner de manière fiable par temps dangereux et avoir une longue durée de vie.

Enfin, la technologie de réseau existe depuis longtemps et manque souvent de cybersécurité. La cyberattaque du réseau électrique ukrainien en 2016 a laissé 230000 résidents sans électricité et montre le besoin critique de cybersécurité des réseaux électriques. Cela signifie que la cybersécurité doit être une considération majeure pour toutes les mises à niveau de la technologie IIoT qui sont mises en œuvre par les autorités gouvernementales, étatiques et locales et les services d'électricité.

La nouvelle ère présente aux développeurs et aux fournisseurs de solutions à la fois des opportunités et des défis. Dans les segments industriels tels que le pétrole et le gaz, le déploiement de la 5G et les réseaux intelligents, les systèmes d'infrastructure doivent fonctionner de manière fiable dans des environnements difficiles et dangereux pendant de longues périodes sans défaillance.

Quels sont les critères de conception critiques? La liste suivante fournit un résumé des six exigences de conception les plus importantes que les développeurs et les fournisseurs de solutions doivent prendre en compte.

§ Critique du système – Performer de manière fiable dans des environnements difficiles et critiques. Le fait de ne pas fonctionner ou de fonctionner par intermittence a des conséquences désastreuses. Il est important de spécifier des composants pour répondre aux exigences des environnements difficiles, notamment en utilisant un châssis à IP élevé, passer les tests de chocs et de vibrations et répondre à toutes les normes EMI et ISO.

§ Petit facteur de forme – La plupart des applications extérieures, qu'il s'agisse d'une tour cellulaire 5G ou d'un réseau intelligent distant, disposent d'une infrastructure d'équipement existante dans laquelle les améliorations de l'IIoT doivent s'intégrer. Cela signifie que la taille et la puissance sont limitées et que plus le périphérique de bord ou un autre équipement est compact, plus la tâche d'intégration sera facile.

§ Températures extrêmes – Fonctionne de manière fiable dans des plages de température étendues (-40-85 ° C). Les températures extérieures et extracôtières peuvent varier considérablement. Être capable de supporter la chaleur et le froid extrêmes est un must.

§ Longue durée de vie (MTBF) – Le coût de la maintenance du système dans les zones reculées et accidentées est extrêmement élevé. Les systèmes nécessitent une conception robuste avec des résultats de longue durée entre les défaillances. Le fait de ne pas fonctionner dans ces environnements industriels est coûteux et augmente la responsabilité. Lorsque les travailleurs sont envoyés pour dépanner l'équipement, ils sont exposés à des situations dangereuses.

§ Disponibilité à long terme – En raison des coûts de développement élevés de toute conception informatique, il est important de protéger la solution matérielle et logicielle au sein d'un système. À mesure que les charges de travail et la demande de performances augmentent, de nouvelles solutions avec des processeurs hautes performances seront nécessaires. La plupart des produits commerciaux offrent une assistance jusqu'à 7 ans. Dans les applications industrielles, un support et des services allant jusqu'à 15 ans sont souvent nécessaires.

§ Support de classe mondiale – Le support et les services d'un fournisseur réputé, qu'il s'agisse de composants, de logiciels ou de modules, sont extrêmement importants. Dans les applications critiques, le support technique, le support produit et la disponibilité sont la bouée de sauvetage pour les utilisateurs et les développeurs.

Quelle approche de conception les développeurs et les fournisseurs de solutions doivent-ils adopter? Il existe deux approches générales à considérer. L'un achète des produits standard sur étagère (COTS) et l'autre choisit des conceptions personnalisées.

Des exemples de produits COTS sont la gamme de systèmes compacts ADLES: ADLEPC-1500, ADLEPC-1520, ADLEPC-1600, et vient de sortir les PC embarqués sans ventilateur ADLEPC-1700. Ils ont tous de petits facteurs de forme, une large plage de températures de fonctionnement et plusieurs types de ports d'entrée / sortie qui permettent une expansion, une personnalisation et une intégration faciles. Tous sont basés sur le processeur Intel Atom®, qui offre des performances supérieures et fiables et tous les systèmes sont certifiés Microsoft Azure pour l'IoT. Voir les figures 2 et 3 ci-dessous.

Figure 2: Le châssis compact d’ADLES offre de multiples options d’extension et d’E / S supplémentaires et des possibilités dans un très faible encombrement.

Figure 3: Conception standard ou personnalisée

L'avantage de sélectionner un produit standard du commerce est la disponibilité. Habituellement, ils peuvent être expédiés dans un court laps de temps. Cependant, dans de nombreuses occasions, les développeurs ont des exigences particulières en raison des contraintes d'espace et des spécifications d'E / S. ADLES a résolu ces problèmes avec des conceptions personnalisées. Les clients avaient besoin d'une variété de combinaisons d'E / S telles que des combinaisons uniques d'USB 2.0 / 3.0, SATA et d'autres options.

De plus, ADLES propose des solutions à expansion verticale ou horizontale. Au sein d'une infrastructure, l'espace à l'intérieur d'une enceinte d'équipement est souvent limité. L'ajout d'un nouvel équipement ou la modernisation peut être difficile. Par conséquent, la flexibilité d'ajout d'un module verticalement ou horizontalement comme fourni par ADLES est particulièrement utile. Figure 4 et 5.

Figure 4: ADLES fournit une conception personnalisée avec une expansion horizontale.

Figure 5: ADLES propose une conception personnalisée avec une expansion verticale.

Quelle que soit l'approche de conception de système choisie, une opérabilité fiable dans toutes les conditions extrêmes et difficiles pendant de longues périodes sans défaillance est essentielle pour surmonter ces défis de développement. Des entreprises comme ADL Embedded Solutions, Inc. reconnaissent le coût et le temps considérables de conception, de développement et de personnalisation de solutions de systèmes embarqués pour ces applications industrielles spécifiques en offrant un support technique, d'ingénierie et de conception robuste pour répondre aux attentes et aux exigences des clients.

JC Ramirez est le vice-président de l'ingénierie et de la gestion des produits chez ADL Embedded Solutions, Inc, un fournisseur leader de systèmes embarqués haute performance ciblant les environnements thermiques et robustes exigeants pour les applications industrielles et militaires.

JC (BSEE, MBA) a une formation technique qui comprend l'exploitation de la centrale nucléaire de la Marine, l'instrumentation nucléaire, le développement de produits semi-conducteurs et l'ingénierie des systèmes embarqués.

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