Улучшение с помощью беспроводного мониторинга

Механический отказ двигателей, приводов и другого жизненно важного электромеханического оборудования - одна из наиболее частых причин остановки производства. К счастью, недавние достижения в области мониторинга вибрации и анализа данных привели к созданию систем мониторинга состояния, которые могут точно обнаруживать проблему до отказа, тем самым сокращая дорогостоящие простои оборудования и увеличивая производительность.

Эти системы устанавливаются на контролируемое оборудование и обычно подключаются к центральному компьютеру по сети для анализа данных и оповещения о тревоге. Поскольку машины могут находиться в удаленных местах, где сетевая инфраструктура недоступна, или на движущихся платформах, где подключение к проводной сети нецелесообразно, беспроводная связь является альтернативой сети, которая предлагает экономию затрат на установку, более быстрое развертывание и повышенную надежность в определенных ситуациях. .

Рис. 1. Форма сигнала прямой последовательности.

ВОПРОСЫ И ПРОБЛЕМЫ
Во многих отраслях промышленности покупка системы мониторинга состояния легко оправдывается простым расчетом окупаемости инвестиций (ROI). За относительно номинальную стоимость жизненно важные машины можно дооснастить системой мониторинга состояния, чтобы уменьшить количество сбоев в работе. Однако существуют дополнительные расходы, которые следует учитывать, когда сетевая инфраструктура недоступна или нецелесообразна. Эти дополнительные расходы могут включать прокладку оптоволоконного кабеля, проектирование / установку кабелепровода, прокладку траншей между зданиями, аренду телефонных линий для удаленных участков и установку гирлянды или контактных колец для движущегося оборудования. Эти дополнительные расходы могут привести к тому, что рентабельность инвестиций превысит допустимую для руководства.

Рис. 2. Каналы прямой последовательности 802.11b.

Если контролируемая машина находится в удаленном месте на заводе, где сетевая инфраструктура недоступна, необходима установка кабеля. Стоимость прокладки кабеля на промышленном предприятии может сильно варьироваться в зависимости от типа установки и физической конфигурации. Например, исследования показали, что средняя стоимость прокладки кабеля на химическом заводе составляет 40 долларов за фут (120 долларов за метр), а прокладка кабеля на атомной электростанции может достигать 2000 долларов за фут (6000 долларов за метр). Фактическая стоимость кабеля зависит от расположения машины относительно существующей сетевой инфраструктуры, типа необходимого кабеля (например, оптоволоконного), конструкции кабелепровода (при необходимости), стоимости рабочей силы и необходимости рытья траншей.

Если машина находится в удаленном месте на расстоянии нескольких миль (километров) или более, то для связи требуется аренда телефонных линий. Стоимость арендованной телефонной линии обычно включает плату за первоначальную активацию / установку и ежемесячную плату, зависящую от скорости обслуживания. Поскольку мониторинг вибрации является непрерывным и обычно требует больших объемов данных, телефонная линия должна поддерживать достаточно высокую скорость для непрерывного мониторинга. Телефонные линии связи с удаленными объектами, такими как насосные станции, также подвержены сбоям связи из-за низкого качества линии, и надежность может вызывать беспокойство. Услуги беспроводной сотовой связи иногда доступны для удаленных узлов, но они зависят от доступности услуг и ограничены по скорости. Стоимость подписки на сотовые данные также может быть высокой.

Рис. 3. Неперекрывающиеся каналы 802.11b.

Если машина находится на движущейся платформе (такой как мостовой кран, передаточная тележка или конвейерная система), то подключение системы мониторинга состояния к сети завода представляет собой особую проблему. В зависимости от скорости и расстояния, которое перемещается платформа, могут быть возможны традиционные методы кабельной разводки, такие как гирлянда. Однако гирлянда изнашивается и сама по себе является проблемой для надежности, так как кабели могут сломаться. Для прядильных платформ доступны контактные кольца с поддержкой Ethernet, но они дороги и требуют периодического обслуживания. Некоторые машины могут двигаться так быстро, что единственный практический способ связи - это беспроводная радиочастота (RF).

Учитывая проблемы, связанные с системами мониторинга состояния сети, беспроводная связь предлагает более низкие затраты на установку (сокращает время окупаемости инвестиций), устраняет телефонные линии и удаленно контролирует машины, что раньше было нецелесообразно. Но беспроводные технологии и оборудование широко различаются по производительности и надежности в промышленных установках. Проектирование успешной беспроводной сети требует изучения текущего использования беспроводной связи, радиочастотных трактов и экологических проблем промышленного предприятия.

Рис. 4. Каналы со скачкообразной перестройкой частоты.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Наиболее распространенный подход к беспроводной сети Ethernet - это радиочастотная передача в диапазонах расширенного спектра. Во всем мире диапазоны 2,4 и 5,8 гигагерца (ГГц) доступны для безлицензионного использования в большинстве стран.

Расширение спектра буквально означает распространение радиочастотной энергии по всему (или широкой части) спектра. Этот метод обеспечивает относительно высокоскоростную связь, будучи разработан для работы в шумной среде, где присутствует несколько радиочастотных систем. Существует два основных метода распространения радиочастотной энергии:прямая последовательность и скачкообразная перестройка частоты. Оба метода имеют преимущества и недостатки для промышленной беспроводной связи.

Прямая последовательность использует широкий канал в пределах полосы для одновременной модуляции сильно закодированной битовой комбинации (см. Рисунок 1.)

Прямая последовательность обеспечивает максимальную скорость передачи данных с расширенным спектром, поскольку широкий канал позволяет передавать сложные схемы модуляции. Модуляция в ортогональной частотной области (OFDM) - это сложный метод модуляции, обеспечивающий высокую скорость передачи данных, который широко используется в стандарте IEEE 802.11g, поддерживая скорости передачи данных до 54 мегабит в секунду (Мбит / с).

Прямая последовательность - это метод, используемый сегодня всеми популярными открытыми стандартами Wi-Fi, включая IEEE 802.11b, 802.11g (оба передают в диапазоне 2,4 ГГц) и 802.11a (передают в диапазоне 5,8 ГГц). Хотя широкополосная модуляция обеспечивает высокую скорость, она также делает ВЧ-систему более подверженной проблемам с шумом, когда несколько систем работают в непосредственной близости. Например, IEEE 802.11b имеет 13 доступных каналов (только 11 каналов в некоторых странах), но только три канала не перекрываются (см. Рисунки 2 и 3).

Из-за перекрытия каналов и популярности систем Wi-Fi на предприятиях перенасыщение полос частот и насыщение радиочастот могут привести к снижению производительности беспроводной связи. Скачкообразная перестройка частоты - очень популярный метод для промышленных систем, поскольку он обладает превосходной помехоустойчивостью. В отличие от прямой последовательности, скачкообразная перестройка частоты использует множество меньших каналов в спектре и быстро меняет каналы или «скачкообразно перемещается» от канала к каналу (см. Рисунок 4). За счет включения методов исправления ошибок скачкообразная перестройка частоты дает наилучшие шансы для успешной передачи данных, поскольку передатчик будет отправлять пакет снова и снова, используя разные каналы, пока не будет получено подтверждение. Недостатком скачкообразной перестройки частоты является то, что она медленнее, чем прямая последовательность, и имеет большую задержку данных. Большинство систем со скачкообразной перестройкой частоты ограничены скоростью передачи данных по РЧ 1 Мбит / с или менее. Но если скорость передачи данных достаточно высока для приложения, надежность скачкообразной перестройки частоты трудно превзойти, особенно если в будущем будет добавлено больше радиочастотных систем.

Модемы со скачкообразной перестройкой частоты являются проприетарными, что означает, что каждый производитель использует свою технологию, а поставщик X обычно не взаимодействует с поставщиком Y. Хотя это потенциально является недостатком для коммерческих систем, это может быть желательно для промышленных систем по двум причинам:безопасность и изоляция. от беспроводной системы информационных технологий. Поскольку метод скачкообразной перестройки частоты не основан на открытом стандарте, производитель может использовать уникальные процессы аутентификации и сложные методы шифрования.

В то время как безопасность в системах Wi-Fi со стандартами WPA и WPA2 значительно улучшилась, хакеры будут продолжать искать дыры. Многие производители промышленных Wi-Fi теперь включают возможность скрыть точку доступа, не передавая ее маяк SSID. Этот метод эффективен для сокрытия точки доступа от потенциальных хакеров.

Скачкообразная перестройка частоты также дает руководителям предприятий возможность управлять собственной беспроводной сетью отдельно от ИТ-отдела. Из-за популярности технологий 802.11 для беспроводного доступа к сети, систем складского штрих-кода и видеонаблюдения, патентованные системы со скачкообразной перестройкой частоты могут быть лучшим выбором для промышленных систем и сохранить мир между руководителями отделов.

Рис. 5. Применение беспроводной градирни.

БЕСПРОВОДНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ И МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ
Большинство систем мониторинга состояния имеют возможность подключения к сети Ethernet. Ethernet является наиболее легко адаптируемым интерфейсом для беспроводной связи, если соблюдаются два аспекта:скорость передачи данных (полоса пропускания) и задержка передачи данных. Эти соображения особенно важны при мониторинге нескольких удаленных машин. Важно спроектировать радиочастотную сеть, которая эффективно достигает всех удаленных узлов при сохранении адекватных скоростей передачи данных. Если количество удаленных машин велико, может быть лучше установить отдельные радиочастотные системы, чтобы максимизировать производительность каждой системы. Расположение машин и конструкции здания будут определять размещение антенны и могут быть еще одной причиной для рассмотрения нескольких радиочастотных систем. Многие промышленные системы также поддерживают повторение пакетов, чтобы способствовать распространению радиочастотного сигнала, а также создавать самовосстанавливающиеся сетки. Наконец, очень важно, чтобы беспроводное оборудование было разработано специально для промышленных установок. Ключевыми характеристиками, которые необходимо изучить, являются выходная мощность РЧ (чем выше, тем лучше), рабочая температура, встроенная диагностика, сертификаты опасностей (при необходимости) и, что, возможно, наиболее важно, уровень знаний обслуживающего персонала в области промышленных сетей.

БЕСПРОВОДНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Удаленный мониторинг состояния может принести пользу практически каждой отрасли, где электромеханические машины жизненно важны для производства. Некоторые приложения, в которых беспроводной мониторинг состояния особенно эффективен, включают мониторинг насосов на очистных сооружениях, приводов, используемых на нефтегазовых буровых установках, приводов на сборочных линиях на автомобильных заводах и мостовых кранов на заводах по производству горячего металла.

Одно особенно интересное приложение - это мониторинг охлаждающих вентиляторов электростанции.

Электростанция, работающая на угле, хотела контролировать свои охлаждающие вентиляторы, расположенные в основании их градирен. Охлаждающие вентиляторы устанавливаются в очень суровых условиях, где всегда присутствует горячий пар. Когда вентилятор выходил из строя, градирню приходилось останавливать, чтобы техник мог ее отремонтировать, что уменьшало выходную мощность установки, иногда в периоды пиковой нагрузки. Установив систему мониторинга состояния, завод сможет планировать ремонт вентиляторов во время непиковых остановов.

Систему мониторинга состояния было относительно легко установить, за исключением того, что в башнях отсутствовала сетевая инфраструктура Ethernet. Стоимость протяжки оптоволоконного кабеля оценивалась более чем в 100 000 долларов, а установка потребовала более шести месяцев. Электростанция исследовала использование беспроводной сети Ethernet и обнаружила, что она будет стоить лишь небольшую часть волокна и может быть установлена ​​в течение трех недель. Установка прошла гладко, и система надежно проработала более пяти лет (см. Рисунок 5.)

РЕЗЮМЕ
Достижения в области анализа вибрации привели к созданию современных систем мониторинга состояния, которые могут значительно улучшить производство оборудования. К сожалению, затраты на объединение этих устройств в сеть могут быть очень высокими или непрактичными. Промышленные беспроводные технологии предлагают альтернативу проводным сетям и могут привести к снижению затрат и повышению надежности. Однако необходимо тщательно выбирать лучшую технологию и беспроводное оборудование для обеспечения успешной работы системы.