Prečo je vstavaný systém v dnešnom svete taký dôležitý?

V digitálnej ekonomike, kde sa usilujeme o vysoko automatizovanú a umelou inteligenciou poháňanú budúcnosť, vstavané systémy urýchľujú inovácie v oblasti automatizačných technológií. Tieto lacné kompaktné technológie s nízkou spotrebou energie sa zvyčajne ľahko inštalujú a integrujú do akéhokoľvek zariadenia a môžu jednoducho komunikovať v sieti internetu vecí. Často sú navrhnuté s programovateľnou alebo pevnou logikou, aby fungovali s minimálnym zásahom človeka.

Tým, že vstavané systémy poskytujú výhodu akémukoľvek zariadeniu, ako je stroj, aplikácia alebo snímač, ktorý používa mikroprocesor, umožňujú inteligentné a automatizované monitorovanie a sledovanie technických prostriedkov, generujúc prehľad o prevádzkovom stave v reálnom čase a systémy rýchlej reakcie. Ich aplikácie môžeme nájsť v špecializovaných oblastiach, ako je letectvo, obrana a lekárske zariadenia, ako aj v menej špecializovaných automobilových a spotrebiteľských zariadeniach. Vstavané systémy sa neustále vyvíjajú, aby reflektovali potreby rozsiahlych údajov v internete vecí, čo nepochybne mení budúcnosť a je doslova revolúciou v našich životoch. Podľa výskumnej správy z Markets and Markets veľkosť trhu so vstavanými systémami dosiahne do roku 2025 116,2 mld USD s medziročným rastom 6,1 % od roku 2020.

Vstavané systémy v priemyselnej automatizácii

Rastúca všadeprítomnosť vstavaných systémov je viditeľná v priemyselnej automatizácii v rôznych odvetviach vrátane poľnohospodárstva, potravinárstva, farmácie, lekárskych zariadení, automobilov, priemyselných strojov a ďalších. Priemyselné vstavané systémy sa široko používajú na dohľad nad špecifickými činnosťami, ako je výroba, testovanie, balenie alebo riadenie bezpečnosti v rámci rozsiahlejšieho mechanického alebo elektrického systému. Môžeme sa s nimi stretnúť v základnej podobe alebo vo forme zložitejších technológií vykonávajúcich jednu alebo niekoľko činností, ktoré môžu byť programovateľné alebo majú pevné funkcie. Aby sme lepšie pochopili funkcie vstaveného systému, poďme sa najprv pozrieť na jeho základnú anatómiu.

Ako funguje vstavaný systém?

Vo všeobecnosti sa vstavané systémy podobajú na miniaturizované dosky plošných spojov, ktoré obsahujú procesor, napájací zdroj a pamäťové a komunikačné porty na komunikáciu s inými časťami rozsiahlejšieho systému. Procesorom môže byť mikroprocesor alebo mikrokontrolér. Systémy na čipe (SoC), ktoré obsahujú viacero procesorov a rozhraní, sú jedným z najpopulárnejších trendov v technológii vstavaných systémov. Často sa používajú vo veľkoobjemových vstavaných systémoch. Nové metodológie návrhu a vývoja produktov a riešení sa v ekosystéme priemyselného internetu vecí (IIoT) posunuli vďaka SoC vyššie. Prevádzkové prostredie v reálnom čase je často vhodné pre vstavanú technológiu SoC, ktoré sú vo všeobecnosti dostatočne rýchle a tolerujú mierne zmeny v reakčnom čase.

Niekoľko scenárov priemyselnej automatizácie s odolnými vstavanými systémami

Vezmime si príklad automatizácie prevádzky výrobcu plastových fliaš. Zabudované priemyselné zariadenia sa tu využívajú na automatizáciu mnohých pracovných činností, pričom môžu byť programovateľné na konkrétnu úlohu. Napríklad pomocou vstavanej technológie možno v strojoch poháňaných motorom, používaných na výrobu fliaš automaticky nastaviť prevodový pomer. Vstavané systémy sa tiež používajú na reguláciu teploty strojového zariadenia. Jednotlivé činnosti montážnej linky možno monitorovať a riadiť nastavením rýchlosti montážnej linky podľa požadovaného výkonu. Vysokorýchlostné strojové videnie môže vykonávať kontrolu komponentov fliaš alebo defektov finálnych plastových fliaš. V oblasti internetu vecí komunikujú rôznorodé prvky zabudovaných mikroprocesorov priamo s ostatnými komponentmi priemyselnej vstavanej siete a cloudu, aby sa pripájali na jediný spoločný zdroj a aby bol zabezpečený spoľahlivý tok informácií.

Vstavaný systém umožňuje automatizáciu výroby a môže zvýšiť produktivitu a efektivitu výroby. Môže byť zabudovaný do akéhokoľvek zariadenia, tradičného alebo nového strojového zariadenia a má prispôsobiteľné a rozšíriteľné systémy, ktoré pomáhajú pri optimalizácii funkcií stroja, ako aj výkonu výrobných liniek. Nepretržité sledovanie zdravia stroja tiež pomáha znižovať náklady na údržbu zariadenia a zároveň zlepšuje kvalitu produktu. Zjednocuje a centralizuje kontrolu nad výrobnou architektúrou. Vďaka vstavanému systému možno stroje a zariadenia ovládať aj cez počítač, tablet alebo smartfón. Sleduje výrobný proces na diaľku a v prípade nezrovnalostí posiela okamžité upozornenia. Vstavané systémy tak spustili novú éru aj v oblasti silovo poddajnej robotiky (cobotov), prinášajúc dokonalú spoluprácu medzi človekom a strojom na vytvorenie produktívneho a bezpečného prostredia.

Pozrime sa aj na ďalšiu aplikáciu – únik nebezpečného plynu. Prostredníctvom monitorovania stroja môže akákoľvek priemyselná aplikácia so zabudovaným systémom SoC kontrolovať stav systému, merať výkon, tlak, teplotu, vibrácie, prietok atď. Únik plynu bude automaticky monitorovaný a okamžite môže byť vygenerovaná výstraha/alarm využitím existujúceho sieťové pripojenia k centralizovanému serveru alebo cloudovej bráne. Akékoľvek takéto prerušenia, ktoré predtým vyžadovali okamžitý zásah človeka alebo ich bolo možné zachytiť len z informačných kanálov v CCTV, možno teraz spravovať na diaľku z akéhokoľvek zariadenia pomocou technológie vstavaného zariadenia a webového servera v reálnom čase. Tieto systémy môžu tiež využiť strojové učenie a umelú inteligenciu a pomôcť operátorom urobiť inteligentné rozhodnutia v reálnom čase. Vďaka sile vstavaných systémov môžu organizácie predvídať potenciálne nebezpečenstvo alebo mu predchádzať a riešiť problémy s minimálnym zásahom človeka.

Budúcnosť vstavaných systémov v priemyselnej automatizácii

Vďaka Priemyslu 4.0 prechádzame z prvej na štvrtú generáciu priemyselnej revolúcie, ktorá je poháňaná konceptmi internetu vecí (IoT), analýzou údajov a umelou inteligenciou. Diskrétny vstavaný systém môže produkovať iba nespracované údaje. Keď sa však integruje s technológiami Priemyslu 4.0, vytvára cenné poznatky pre odolnú digitálnu infraštruktúru a rozširuje spektrum automatizácie a inovácií. Vstavané moduly sú sofistikovanejšie ako kedykoľvek predtým a umožňujú strojom predvídať alebo predpisovať riešenia, ktoré by mohli doplniť ľudské rozhodovanie alebo vykonávať úlohy pri vyššej rýchlosti, ktorá presahuje ľudské schopnosti. Robia stroje inteligentnejšími, bezpečnejšími a efektívnejšími. Očakáva sa napríklad, že vstavané systémy budú ďalej posúvať hranice priemyselného riadenia rozšírením aplikácií internetu vecí, ako sú nositeľné zariadenia, senzory, drony, video dohľad, 3D tlačiarne a inteligentná doprava.

Architektúra vstavaných systémov je však oveľa zložitejšia ako tradičný počítačový softvérový systém. Dosiahnutie stabilnej, bezproblémovej a bezpečnej vstavanej architektúry vyžaduje odborníkov s komplexnými inžinierskymi schopnosťami vo všetkých fázach budovania, pripájania a správy. Vďaka portfóliu vstavaných systémov a internetu vecí môže skúsený partner pre technologické služby urýchliť návratnosť prepojenej inteligencie s minimálnym úsilím.

Trendy v oblasti vstavaných systémov

1. TinyML

Cieľom TinyML je ponúknuť možnosti využitia strojového učenia v edge zariadeniach s mikrokontrolérom, ktoré spotrebúvajú len miliwatty výkonu. TinyML sa v podstate nachádza na priesečníku medzi oblasťami IoT a strojového učenia, pričom ponúka štyri hlavné výhody: nižšia spotreba energie, znížený čas oneskorenia, lepšia ochrana súkromia a využitie nízkej šírky pásma. To všetko je ideálne napr. pre aplikácie IoT mikrokontrolérov. Niet pochýb o tom, že teraz, keď už existuje TinyML pre vstavané systémy, objavujú sa rôzne možnosti toho, čo sa dá dosiahnuť. Medzi príklady patrí prediktívna údržba vo výrobe a monitorovanie stavu inteligentnej štruktúry a stavu prevádzok.

2. Kontajnerizácia

Mnohí odborníci sa domnievajú, že približne o 10 rokov už vývoj vstavaných zariadení, ako ho poznáme, pravdepodobne nebude existovať. A to práve pre nástup tzv. kontajnerizácie. Namiesto štandardného postupu, ako ho poznáme v súčasnosti, by vývojári pracovali na cloudových kontajnerových aplikáciách, ktoré nasadzujú ako cloudové rozšírenia pre vložené ciele. To znamená, že vývojár vstavaných systémov by sa v skutočnosti veľmi nezaujímal o základný systém a skôr by sa zameral na funkcie. Prax však bude stále vyžadovať subjekty, ktoré budú pracovať aj na základnom hardvéri, aby vytvorili potrebné ovládače a abstrakcie.

3. Bezpečnosť

Stav, v akom sa vstavané systémy aktuálne nachádzajú vo vzťahu k bezpečnosti, možno porovnať s tým, aký bol internet v 90. rokoch. Internet ako taký doháňal všetky typy útokov, ktoré sa neustále objavovali. Keď sa pozrieme na vstavané systémy, zariadenia historicky fungovali dosť dlho izolovane a na bezpečnosť sa veľa nemyslelo. Avšak niekoľko vážnych incidentov súvisiacich s narušením vstavaných systémov ukázalo, koľko muselo toto odvetvie dobiehať z hľadiska bezpečnosti.

Spoločnosti ako ARM a Hex-Five v súčasnosti už ponúkajú pre oblasť vstavaných systémov Trusted Execution Environments (TEE). ARM ponúka aj vlastnú technológiu ARM TrustZone® pre zariadenia Cortex-M. Na druhej strane spoločnosť Hex-Five podporuje aj architektúry RISC-V. Okrem toho existujú nástroje na testovanie penetrácie hardvéru s otvoreným zdrojom, ako sú chipwhisperer a hydrabus.

Zdroje

[1] Patli, S.: The future of industrial automation with embedded systems. YASH Technologies. [online]. Publikované 20. 5. 2022.

[2] Strzałkowski, P.: Back to the future in the embedded systems – trends for 2022. Solwit S. A. [online]. Publikované 14. 1. 2022. 

[3] 6 Trending Topics Every Embedded Learners Must Know in 2022. [online]. Publikované 20. 4. 2022. 

-tog-