Industriële systemen kunnen profiteren van productontwerpen uit de consumentenmarkt – maar alleen met de juiste voorzorgsmaatregelen

Productontwerp voor de consumentenmarkt of voor industriële toepassingen: het is een soort spanningsveld, met positieve en negatieve kanten. Als het gaat om de hardware, kunnen industrieel ontwerpers vaak gebruik maken van de vele componentkenmerken uit de wereld van de massaconsument. Typische voorbeelden zijn IC's met laag vermogen en lage spanning, hoge productvolumes, lage kosten voor actieve, passieve en verpakkingscomponenten; en een breed scala aan kleine en toch flexibele interface-opties (displays en toetsenborden).

Als we naar de software kijken, dan heeft de consumentenmarkt veel vaste routines voor I/O-functies: denk bijvoorbeeld aan drivers, connectiviteit, gebruikersinterfaces, protocollen voor de beveiliging en versleuteling van het systeem en de verbinding, en diverse numerieke en wiskundige functies.

Het kan dus zinvol zijn voor ontwerpers van industriële toepassingen om gebruik te maken van componenten en andere middelen uit de consumentenmarkt – daar waar dat logisch is, natuurlijk.

Maar er zijn enorme verschillen tussen de twee werelden. En het kan ook nadelig zijn wanneer je als industrieel ontwerper bij je werk teveel leunt op de praktijken en de mindset van ontwerprichtlijnen en doelstellingen die gebruikelijk zijn bij het werk voor de consumentenmarkt. We hebben de belangrijkste punten op een rijtje gezet:

1) Focus: industriële producten worden gemaakt om één ding (of hoogstens een paar dingen) goed te doen, en wel betrouwbaar. Voor de meeste industriële producten geldt daarom "less is more" – minder eigenschappen en functies, minder flexibiliteit, maar dat waar het om gaat wordt geleverd met solide software en consistent betrouwbare hardware. Bij sommige consumentenproducten is er ook zo'n focus, maar in veel gevallen treedt "mission creep" op, en ook "feature creep" – sluipenderwijs komen er steeds meer doelstellingen en functies bij.

2) De gebruikersinterface: consumentenproducten krijgen al snel een ingewikkelde bediening, met gelaagde dropdown-menu's, een overvloed aan opties en soms zelfs continue vragen van het systeem aan de gebruiker. Voor industrieel gebruik is een interface vereist die direct is en doelgericht, met opties die duidelijk relevant zijn.

3) Complexiteit van het toetsenbord: industriële producten hebben speciale toetsen voor afzonderlijke functies die een hoge prioriteit hebben, in plaats van softkeys die door het systeem steeds opnieuw worden toegewezen tijdens het gebruik in verschillende modi.

4) Wettelijke voorschriften: voor consumentenproducten gelden strenge richtlijnen voor EMI/RFI-emissies, die grotendeels voortvloeien uit het wattage van de voeding. Voor industrieel ontwerpers gelden weliswaar ook emissiegrenzen, maar omdat ze in een andere omgeving werken zijn die vaak minder streng. Daar tegenover staat dat er strengere eisen zijn op het gebied van fysiek ontwerp en veiligheidsontwerp, vanwege de hoogspanning die veel industriële systemen gebruiken. Hieronder vallen ook de afstanden voor speling en kruipstroom op een printplaat.

Afbeelding 1:De AFPX-C14R PLC van Panasonic heeft een industrieel ontwerp, dat duidelijk afwijkt van het vaak strakke design van consumentenapparatuur. (Bron afbeelding: Panasonic)

5) Beveiliging: industriële producten moeten beveiligd zijn tegen elektrostatische ontlading (ESD), spanningspieken, lawaai en ruis, overspanning en nog veel meer schadelijke invloeden die inherent zijn aan hun werkomgeving. Bij veel consumentenproducten is dit soort bescherming niet nodig.

6) Temperatuurbeheersing: voor de meeste consumentenproducten voldoet natuurlijke convectie, oftewel, koelgaten in de behuizing (die gebruikers open moeten laten). Bij veel industriële toepassingen is de omgevingstemperatuur hoger en ook gesloten kasten zijn niet ongebruikelijk, met minimale natuurlijke luchtverplaatsing. Daarom moet de ontwerper in het systeemontwerp rekening houden met een extra luchtkoeling.

7) Uiterlijk: voor de consumentenmarkt is de visuele aantrekkingskracht van een product meestal net zo belangrijk als de functionaliteit en het gebruiksgemak. Daarom zijn knopjes vaak klein en labels slecht leesbaar. Bij industriële ontwerpen zijn bruikbaarheid en functionaliteit belangrijker dan het uiterlijk. De primaire functies bepalen daarom vaak de behuizing, vormfactor en etikettering – zelfs als het resultaat er dan in vergelijking minder elegant uitziet. Een goed voorbeeld is deze programmeerbare logische controller (PLC) van Panasonic, de AFPX-C14R. De behuizing is no-nonsense, het display voor de gebruiker is compleet basic en de klemmen voor de bedrading zijn goed toegankelijk (afbeelding 1).

8) Voeding: bij industriële systemen vormt de voeding de basis voor de betrouwbaarheid, de stabiliteit en de lange levensduur van het gehele systeem. Bij industriële voedingen ligt veel nadruk op speling in het ontwerp als het gaat om de toleranties van onderdelen, het temperatuurbereik, ruis, goede werking op de lange termijn en de algehele stevigheid en belastbaarheid. Consumentenproducten werken vaak met een marginale voeding die net voldoende is: weinig speling naar boven en nadruk op lage kosten en lange bedrijfsduur (bij batterijvoedingen) in plaats van lange levensduur. Er is een eindeloze afvalstroom van voedingen (en dus producten) die na een jaar uitvallen, simpelweg omdat de condensator is uitgedroogd of opgezwollen.

Afbeelding 2: Condensators voor industriële toepassingen, zoals de THH9476M063W0250W van AVX, zijn ontworpen voor hogere temperatuurtoleranties en een langere levensduur. (Afbeelding: AVX)

De stuklijst voor industriële toepassingen geeft daarentegen vaak condensator-specs op voor hogere bedrijfstemperaturen en een langere levensduur. Een voorbeeld is de condensator THH9476M063W0250W uit de THH-serie van AVX. Dit is een tantalum bulkcomponent van 47 microfarad (µF) van 12 millimeter (mm) × 12,50 mm × 6 mm, met een nominale bedrijfsduur van 1000 of 2000 uur bij 230 ⁰C (afhankelijk van de toepassing), en 10.000 uur bij 200 ⁰C (afbeelding 2). Er zijn maar weinig industriële toepassingen die deze relatief extreme temperaturen zullen bereiken. Maar voor het nog steeds hoge temperatuurbereik van de meeste toepassingen, betekent dit natuurlijk een veel langere levensduur dan de 1000 uur van standaardapparatuur bij kamertemperatuur.

9) Fysieke aansluitingen: voor veel consumentenproducten zijn meerdere kabels en stekkers nodig, hoewel de opkomst van USB-C hier in sommige gevallen langzaam verandering in brengt. Vaak zijn deze connectors niet versterkt of verankerd – denk aan USB, HDMI en het arsenaal aan kleine voedingsstekkertjes waar veel mensen een la vol van hebben. Industriële ontwerpen kiezen daarentegen voor stevigere aansluitingen, vaak met een vergrendelingsmechanisme of een houder.

Voor de simpele I/O-bedrading van een transducer is een eenvoudig maar betrouwbaar klemmenblok een redelijk standaard keuze: aansluiten en ontkoppelen is gemakkelijk. Voor een consumentenproduct is dit echter niet acceptabel. Een typisch voorbeeld is de VI0921550000G van Amphenol Anytek: een klemmenblok met negen posities voor de aansluiting van draad naar printplaat, met een schroef die de draad op zijn plaats houdt. Als de draad voor de plaatsing correct wordt gestript, ligt er geen geleider bloot (afbeelding 3).

10) Beveiliging: veel consumentenelektronica biedt weinig tot geen bescherming tegen hackers – denk maar aan de goedkopere videocamera's of deurbelsystemen. Dit is niet acceptabel voor industriële systemen, waar een hacker toegang zou kunnen krijgen tot interne bedrijfsgegevens of een productielijn lam zou kunnen leggen. Hier lijkt verdere toelichting me overbodig.

Afbeelding 3: Eenvoudige, betrouwbare klemmenblokken zijn in veel industriële toepassingen te vinden, maar zouden normaal gesproken niet acceptabel zijn in producten voor de consumentenmarkt. (Afbeelding: Amphenol Anytek)

11) Upgrades na aanschaf: consumentenproducten met internettoegang – inmiddels de overgrote meerderheid – kunnen "upgrades" downloaden, vaak zonder expliciete toestemming van de gebruiker. Hierdoor kunnen eigenschappen, functies en nog veel meer plotseling veranderen, zonder dat de gebruiker dit per se wil of begrijpt wat er precies gebeurt. En omdat producten ook na aanschaf nog kunnen worden bijgewerkt, worden er regelmatig bètaversies op de markt gebracht – tenslotte kan er altijd nog zo'n "upgrade" worden gepusht als er problemen zijn.

Een dergelijke aanpak is onacceptabel voor industriële gebruikers. Leveranciers moeten hun producten dus compleet testen voor de uitlevering. Upgrades mogen niet al te vaak voorkomen, en ze moeten vooraf worden uitgelegd. Bovendien moet de gebruiker kunnen bepalen wanneer ze worden uitgerold.

12) Reparatie en vervanging: nieuwe productlanceringen voor consumentendesigns volgen elkaar razendsnel op. Dat betekent dat de productie vaak al na een paar jaar wordt stopgezet – drie tot vijf jaar is gebruikelijk. Hierna zijn vervangende printplaten niet meer beschikbaar (zelfs als reparatie mogelijk is) en ook de componenten zijn wellicht niet meer verkrijgbaar.

Industriële producten worden vaak tien tot vijftien jaar gebruikt, en ook langer is bepaald geen uitzondering. Dat betekent dat er voor de gehele levensduur vervangende printplaten beschikbaar moeten zijn die gelijkwaardig zijn qua vorm, geschiktheid en werking. De meest recente en krachtige IC is dus misschien niet de juiste keus voor een industriële toepassing, als de leverancier niet kan of wil voldoen aan de eisen van dit segment als het gaat om levensduur en leverbaarheid op de lange termijn. Anders gezegd: als er over 15 jaar een probleem is met een component, is de leverancier dan gegarandeerd in staat adequate vervanging te leveren?

Conclusie

Industrieel ontwerpers zouden zeker af en toe moeten 'gluren bij de buren': de componenten en benaderingen van consumentenproducten kunnen aantrekkelijke oplossingen bieden voor bepaalde ontwerpuitdagingen en doelstellingen. Het is echter belangrijk om je goed bewust te zijn van het verschil in prioriteiten tussen consumentenmarkt en industrie, en om te weten wanneer het gebruik van de prestatienormen en componenten uit de consumentenmarkt de levensvatbaarheid van industriële producten in gevaar brengt.