Verbeteren door draadloze monitoring

Mechanisch falen van motoren, aandrijvingen en andere vitale elektromechanische apparatuur is een van de meest voorkomende redenen voor productieonderbrekingen. Gelukkig hebben recente ontwikkelingen op het gebied van trillingsbewaking en gegevensanalyse geleid tot conditiebewakingssystemen die een probleem nauwkeurig kunnen detecteren voordat het defect raakt, waardoor kostbare machineonderbrekingen worden verminderd en de productie-output wordt gemaximaliseerd.

Deze systemen worden geïnstalleerd op de bewaakte apparatuur en zijn doorgaans teruggekoppeld naar een centrale computer voor gegevensanalyse en alarmaankondiging. Omdat de machines zich op afgelegen locaties kunnen bevinden waar geen netwerkinfrastructuur beschikbaar is, of op bewegende platforms waar een vast bedrade netwerkverbinding niet praktisch is, is draadloze communicatie een netwerkalternatief dat besparingen op installatiekosten, snellere implementatie en verbeterde betrouwbaarheid in bepaalde situaties oplevert .

Figuur 1. Directe sequentiegolfvorm.

VRAGEN EN ZORGEN
Voor veel branches is de aanschaf van een condition monitoring systeem eenvoudig te verantwoorden met een simpele return-on-investment (ROI) berekening. Tegen relatief geringe kosten kunnen vitale machines achteraf worden uitgerust met conditiebewaking om bedrijfsstoringen te verminderen. Er zijn echter extra kosten waarmee rekening moet worden gehouden wanneer netwerkinfrastructuur niet beschikbaar of praktisch is. Deze extra kosten kunnen de installatie van glasvezelkabels, leidingtechniek/-installatie, het graven van sleuven tussen gebouwen, het leasen van telefoonlijnen voor afgelegen locaties en het installeren van slingers of sleepringen voor bewegende apparatuur omvatten. Deze extra kosten kunnen de ROI verder uitstrekken dan het management zal accepteren.

Figuur 2. 802.11b directe sequentiekanalen.

Als de bewaakte machine zich op een afgelegen locatie in de fabriek bevindt waar geen netwerkinfrastructuur beschikbaar is, is kabelinstallatie noodzakelijk. De installatiekosten van kabel in een industriële installatie kunnen sterk variëren, afhankelijk van het type installatie en fysieke configuraties. Studies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat de gemiddelde kabelinstallatie in een chemische fabriek $ 40 per voet ($ 120 per meter) is, terwijl de kabelinstallatie in een kerncentrale wel $ 2.000 per voet ($ 6.000 per meter) kan bedragen. De werkelijke kabelkosten zijn afhankelijk van de locatie van de machine ten opzichte van de bestaande netwerkinfrastructuur, het type kabel dat nodig is (bijv. glasvezel), leidingtechniek (indien nodig), arbeidskosten en of sleuven graven nodig is.

Als de machine zich op een afgelegen locatie op enkele kilometers (kilometers) of meer bevindt, is het nodig om telefoonlijnen te huren voor communicatie. De kosten van een geleasede telefoonlijn omvatten meestal een initiële activerings-/installatievergoeding en een maandelijkse vergoeding op basis van de snelheid van de service. Aangezien trillingsbewaking continu en doorgaans gegevensintensief is, moet de telefoonlijnservice een snelheid ondersteunen die hoog genoeg is voor continue bewaking. Telefoonlijndiensten naar afgelegen locaties zoals pompstations zijn ook gevoelig voor communicatiestoringen als gevolg van slechte lijnkwaliteit, en betrouwbaarheid kan een punt van zorg zijn. Draadloze mobiele diensten zijn soms een optie voor externe locaties, maar zijn afhankelijk van de beschikbaarheid van de dienst en beperkt in snelheid. Abonnementskosten voor mobiele data kunnen ook duur zijn.

Figuur 3. Niet-overlappende 802.11b-kanalen.

Staat de machine op een bewegend platform (zoals een bovenloopkraan, overslagwagen of transportsysteem), dan is het een bijzondere uitdaging om het conditiebewakingssysteem aan te sluiten op het plantennetwerk. Afhankelijk van de snelheid en afstand die het platform aflegt, zijn traditionele bekabelingsmethoden zoals festoenen mogelijk. Festoenen is echter onderhevig aan slijtage en is zelf een zorg voor de betrouwbaarheid, aangezien kabels kunnen breken. Voor draaiende platforms zijn sleepringen met ethernet-ondersteuning beschikbaar, maar deze zijn duur en vereisen periodiek onderhoud. Sommige machines kunnen zo snel bewegen dat de enige praktische communicatiemethode draadloze radiofrequentie (RF) is.

Gezien de uitdagingen van netwerkconditiebewakingssystemen, bieden draadloze communicatie lagere installatiekosten (verkorte ROI-tijd), elimineren telefoonlijnen en bewaken op afstand machines die voorheen niet praktisch waren. Maar draadloze technologieën en apparatuur lopen sterk uiteen wat betreft prestaties en betrouwbaarheid bij industriële installaties. Het ontwerpen van een succesvol draadloos netwerk vereist een onderzoek van het huidige draadloze gebruik, RF-paden en milieu-uitdagingen van de industriële fabriek.

Figuur 4. Frequentieverspringende kanalen.

DRAADLOZE TECHNOLOGIEN
De meest gebruikelijke benadering van draadloos ethernet is RF-transmissie in de gespreide spectrumbanden. Wereldwijd zijn de 2,4- en 5,8-gigahertz (GHz)-banden beschikbaar voor licentievrij gebruik in de meeste landen.

Spread spectrum betekent letterlijk het verspreiden van de RF-energie over het gehele (of brede deel van het) spectrum. Deze techniek maakt communicatie met relatief hoge snelheid mogelijk en is ontworpen om te werken in lawaaierige omgevingen waar meerdere RF-systemen aanwezig zijn. Er zijn twee belangrijke methoden voor het verspreiden van RF-energie:directe sequentie en frequentieverspringing. Beide methoden hebben voor- en nadelen voor industriële draadloze communicatie.

Direct sequence gebruikt een breed kanaal binnen de band om tegelijkertijd een sterk gecodeerd bitpatroon te moduleren (zie figuur 1.)

Directe sequentie biedt de snelste datasnelheden met gespreid spectrum, aangezien het brede kanaal transmissie van complexe modulatieschema's mogelijk maakt. Orthogonale frequentiedomeinmodulatie (OFDM) is een complexe modulatietechniek die in staat is tot snelle gegevenssnelheden en wordt veelvuldig gebruikt in de IEEE-standaard 802.11g, en ondersteunt RF-gegevenssnelheden tot 54 megabits per seconde (Mbps).

Directe sequentie is de methode die tegenwoordig wordt gebruikt door alle populaire open Wi-Fi-standaarden, waaronder IEEE 802.11b, 802.11g (beide zenden in de 2,4 GHz-band) en 802.11a (verzenden in de 5,8 GHz-band). Hoewel de breedbandmodulatie een hoge snelheid biedt, maakt het het RF-systeem ook vatbaarder voor ruisproblemen wanneer meerdere systemen dicht bij elkaar werken. IEEE 802.11b heeft bijvoorbeeld 13 beschikbare kanalen (slechts 11 kanalen in sommige landen), maar slechts drie kanalen overlappen elkaar niet (zie afbeeldingen 2 en 3).

Door overlappende kanalen en de populariteit van Wi-Fi-systemen in fabrieken, kunnen overvolle banden en RF-verzadiging leiden tot slechte draadloze prestaties. Frequentiehoppen is een zeer populaire techniek voor industriële systemen omdat het over uitstekende ruisimmuniteitstechnieken beschikt. In tegenstelling tot directe sequentie, gebruikt frequency hopping veel kleinere kanalen in het spectrum en verandert het snel van kanaal, of "hinkelt" van kanaal naar kanaal (zie figuur 4). Door foutcorrectietechnieken op te nemen, biedt frequentieverspringen de beste kans op succesvolle gegevensoverdracht, aangezien de zender het pakket keer op keer zal verzenden via verschillende kanalen totdat een bevestiging is ontvangen. Het nadeel van frequency hopping is dat het langzamer is dan directe sequentie en een langere gegevenslatentie heeft. De meeste frequency hopping-systemen zijn beperkt tot 1 Mbps of minder RF-gegevenssnelheid. Maar als de datasnelheid snel genoeg is voor de toepassing, is de betrouwbaarheid van frequency hopping moeilijk te verslaan, vooral als er in de toekomst meer RF-systemen zullen worden toegevoegd.

Modems voor frequentieverspringing zijn eigendom van de fabrikant, wat betekent dat elke fabrikant zijn eigen techniek gebruikt, en leverancier X zal gewoonlijk niet communiceren met leverancier Y. Hoewel dit potentieel een nadeel is voor commerciële systemen, kan het om twee redenen wenselijk zijn voor industriële systemen:veiligheid en isolatie van het draadloze informatietechnologiesysteem. Omdat de frequency hopping-techniek niet gebaseerd is op een open standaard, kan de fabrikant gebruikmaken van unieke authenticatieprocessen en geavanceerde encryptietechnieken.

Hoewel de beveiliging aanzienlijk is verbeterd in wifi-systemen met WPA- en WPA2-standaarden, zullen hackers blijven zoeken naar gaten. Veel industriële Wi-Fi-fabrikanten hebben nu een optie om het toegangspunt te verbergen door het SSID-baken niet te verzenden. Deze techniek is effectief in het verbergen van het toegangspunt voor potentiële hackers.

Frequency hopping biedt fabrieksmanagers ook de mogelijkheid om hun eigen draadloze netwerk te beheren, los van de IT-afdeling. Vanwege de populariteit van 802.11-technologieën voor draadloze netwerktoegang, barcodesystemen voor magazijnen en videobewaking, kunnen eigen frequency hopping-systemen de beste keuze zijn voor industriële systemen en de vrede tussen afdelingsmanagers bewaren.

Figuur 5. Draadloze koeltorentoepassing.

INTEGRATIE VAN DRAADLOZE EN CONDITIEBEWAKING
De meeste conditiebewakingssystemen hebben een ethernet-communicatieoptie voor netwerkconnectiviteit. Ethernet is de gemakkelijkst aanpasbare interface voor draadloos als twee overwegingen in acht worden genomen:gegevenssnelheid (bandbreedte) en gegevenslatentie. Deze overwegingen spelen vooral een rol wanneer meerdere externe machines worden gecontroleerd. Het is belangrijk om een ​​RF-netwerk te ontwerpen dat alle externe locaties effectief bereikt en tegelijkertijd voldoende gegevenssnelheden behoudt. Als het aantal externe machines groot is, kan het het beste zijn om afzonderlijke RF-systemen te installeren om de prestaties van elk systeem te maximaliseren. Machinelocaties en bouwconstructies bepalen de plaatsing van de antenne en kunnen een andere reden zijn om meerdere RF-systemen te overwegen. Veel industriële systemen ondersteunen ook pakketherhaling om de verspreiding van RF-signalen te vergemakkelijken en tegelijkertijd zelfherstellende meshes te creëren. Ten slotte is het van groot belang dat de draadloze apparatuur specifiek is ontworpen voor industriële installaties. De belangrijkste specificaties om te onderzoeken zijn RF-vermogensoutput (hoger is meestal beter), bedrijfstemperatuur, ingebouwde diagnostiek, certificeringen voor gevaarlijke stoffen (indien nodig) en, misschien wel het belangrijkste, het niveau van industriële netwerkkennis van het ondersteunend personeel.

DRAADLOZE TOEPASSINGEN
Conditiebewaking op afstand kan voordelen opleveren voor zowat elke industrie waar elektromechanische machines essentieel zijn voor de productie. Verschillende toepassingen waarbij draadloze conditiebewaking bijzonder effectief is, zijn onder meer het bewaken van pompen in afvalwaterzuiveringsinstallaties, aandrijvingen die worden gebruikt op olie-/gasboorinstallaties, aandrijvingen op assemblagelijnen in autofabrieken en bovenloopkranen in ruwijzerfabrieken.

Een bijzonder interessante toepassing is de bewaking van de koelventilator van energiecentrales.

Een kolengestookte elektriciteitscentrale wilde hun koelventilatoren aan de voet van hun koeltorens bewaken. De koelventilatoren zijn gemonteerd in zeer ruwe gebieden waar altijd hete stoom aanwezig is. Als een ventilator uitvalt, moest de toren worden stilgelegd om een ​​monteur in staat te stellen deze te repareren, waardoor het vermogen van de installatie, soms tijdens piekuren, werd verminderd. Door het conditiebewakingssysteem te installeren, zou de fabriek in staat zijn om ventilatorreparaties te plannen tijdens niet-piekstops.

Het conditiebewakingssysteem was relatief eenvoudig te installeren, behalve dat de torens geen ethernetnetwerkinfrastructuur hadden. De kosten voor het trekken van glasvezelkabels werden geschat op meer dan $ 100.000 en het installeren ervan zou meer dan zes maanden in beslag nemen. De energiecentrale onderzocht het gebruik van draadloos ethernet en ontdekte dat het slechts een klein deel van de glasvezel zou kosten en binnen drie weken zou kunnen worden geïnstalleerd. De installatie verliep soepel en het systeem werkt al meer dan vijf jaar betrouwbaar (zie afbeelding 5.)

OVERZICHT
Vooruitgang in trillingsanalyse heeft geleid tot moderne conditiebewakingssystemen die de productie van planten aanzienlijk kunnen verbeteren. Helaas kunnen de netwerkkosten van deze apparaten erg hoog of onpraktisch zijn. Industriële draadloze technologieën bieden een alternatief voor bekabelde netwerken en kunnen leiden tot lagere kosten en een grotere betrouwbaarheid. Er moet echter voor worden gezorgd dat de beste technologie en draadloze hardware worden gekozen om een ​​succesvol systeem te verzekeren.