DRAADLOOS PAST NAADLOOS IN INTERNET-OF-THINGSTOEPASSINGEN

FLEXIBELE PLAATSING EN VERMIJDEN VAN DURE BEKABELING

Onze telefoongesprekken verlopen intussen zo'n twintig jaar grotendeels draadloos. Internetgebruik thuis verloopt grotendeels via wifi. Maar op industrievlak is de terughoudendheid groter om draadloze toepassingen te gebruiken, omdat de onzekerheid van het signaal hier een kritieke factor is. Toch kunnen draadloze sensoren prima diensten bewijzen als informatiekanaal 'in the field'. Bovendien is draadloos goedkoop en flexibel.

FLEXIBILITEIT

Het tijdperk van de draadloze communicatie lijkt dus voorgoed aangebroken. De bestaande technologie evolueert en verbetert. Nieuwe technologieën overtreffen elkaar in snelheid, vermogen en betrouwbaarheid. Ook de prijzen zijn in die mate gedaald dat een draadloze installatie bijna altijd goedkoper geworden is dan een nieuwe kabelverbinding. Bovendien zijn er toepassingen waarbij de bekabeling ferme nadelen heeft ten opzichte van een draadloze verbinding; denk bijvoorbeeld aan roterende toepassingen of bewegende sledes van machines, waarbij de bekabeling snel onderhevig is aan slijtage. Ook de flexibiliteit naar herconfiguratie toe pleit in het voordeel van draadloos. In andere gevallen is bekabeling leggen zelfs onmogelijk omdat er bijvoorbeeld een ander bedrijfsgebouw tussen zender en ontvanger staat. Een bijkomende stimulans voor draadloos is het Internet of Things, waarbij het verzamelen van data een van de pijlers is. Het flexibel kunnen uitlezen van allerlei gegevens uit het machinepark past hier dan ook naadloos in dit verhaal.

Meestal op 2,4 GHz

Draadloos verkeer tussen sensoren en gateways verloopt in Europa veelal op 2,4 GHz. In de VS is 900 MHz de vaakst gehanteerde frequentieband. Een hogere frequentie is minder geschikt voor langere afstanden, maar heeft wel meer penetratievermogen. De Europese frequentieband van 2,4 GHz is dezelfde als bij bijvoorbeeld wifi. Wifi kenmerkt zich door het versturen van grote datapakketten over een beperkte afstand. In vergelijking met wifi is het verstuurde signaal evenwel veel kleiner. Ook wordt de verbinding niet voortdurend aangehouden zoals bij wifi, maar wordt enkel op geregelde tijdstippen de informatie ingewisseld. Dat laat toe om de voeding te voorzien via batterijen. Er zijn meerdere protocollen die gebruikt kunnen worden, zoals Zigbee, WirelessHART, wifi, bluetooth … .

Antennes

Er worden doorgaans vier groepen antennes onderscheiden: omnidirectionele, directionele, Yagi en parabolische antennes. Bij omnidirectionele antennes is de verspreiding diffuus. De applicatie hier ligt dan ook bijvoorbeeld in toepassingen met één zender en meerdere ontvangers. Aan de andere kant van het spectrum liggen dan de Yagi en paraboleantennes, die echt doelgericht point-to-pointcommunicatie verzorgen. Omdat de wattages hiervan te groot zijn voor de wetgever, worden bij ons voornamelijk omnidirectionele antennes gebruikt voor sensor/controllercommunicatie. De uitstraling van het signaal bij omnidirectionele antennes is geen cirkelvorm, maar verloopt in de vorm van een rugbybal. Het is dus kwestie van deze zone mooi contact te laten maken met de ontvangstzone van de gateway.

LINE OF SIGHT

In dit licht wordt vaak de term 'line of sight' gehanteerd, waarmee bedoeld wordt dat zender en ontvanger elkaar visueel kunnen 'zien'. Dat is de ideale situatie, maar het is geen absolute voorwaarde om een goede ontvangst te krijgen. Testen op voorhand is dus de boodschap, maar wees u ervan bewust dat de ether een factor is die u niet in de hand heeft. Wisselende etheromstandigheden kunnen leiden tot ongelijke resultaten. Denk ook al op de lange termijn: een nieuwe machine die tussen zender en ontvanger komt te staan, een nieuwe wand … Meestal kunnen dergelijke hinderpalen wel gecounterd worden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van repeaters.

FRESNELZONE

Radiogolven hebben helaas niet de gewoonte om een rechte lijn te nemen tussen zender en ontvanger, maar zullen overal in het rond gestuurd worden volgens de rugbybalvorm van de antenne. Daarom is er niet alleen line of sight nodig, maar ook een zekere ruimte rond die directe lijn om een goede verbinding te garanderen. De inplanting van antennes moet daarom rekening houden met de zogeheten Fresnelzone. Let wel dat het niet volstaat om enkel rekening te houden met de Fresnelzone; obstakels onderweg zullen evenzeer een negatieve invloed uitoefenen. In de regel kunnen lagere frequenties beter met obstakels om.

TOPOLOGIE

Een draadloos systeem kan in meerdere opstellingen gebruikt worden.

Een punt-tot-punttopologie

Dit is het meeste eenvoudige. Hier is er enkel één gateway (de ontvanger) en één node in het veld (de zender). Deze structuur kan ook uitgebreid worden met een tussenliggende repeater om het signaal verder te kunnen dragen. Als er één gateway is die meerdere nodes apart bedient, spreken we van een point-tomultipointtopologie.

Stervormige topologie

Deze topologie bestaat dan weer uit één gateway die verbonden is met verschillende nodes. Tussen de gateway en elke node is een aparte draadloze verbinding aanwezig. Als die onderbroken wordt, blijft de rest van het netwerk dus buiten schot.

Boomstructuur

Bij een boomstructuur wordt er gebruikgemaakt van repeaters die de signalen uit de nodes verder sturen naar de master. Deze topologie heeft het grote voordeel dat de afstand aanzienlijk vergroot kan worden, maar daar staat wel de tragere verwerking tegenover. Het signaal wordt immers niet meer rechtstreeks gestuurd, maar via de repeater, wat de vertraging veroorzaakt.

Meshnetwerk

Een meshnetwerk is dan weer een topologie waarbij elk onderdeel spreekt met elk ander onderdeel. De routing van het signaal kan zo via diverse wegen gebeuren. Via de gateways is er telkens communicatie mogelijk met de PLC via een ethernet- of busverbinding.

ENKELE APPLICATIEVOORBEELDEN

Predictive maintenance

Bij deze motor wordt draadloze technologie ingezet in een predictivemaintenancesysteem. De sensor meet de trillingen en de temperatuur van deze motor. De gemeten waarden worden via de node draadloos verstuurd naar de gateway, die het signaal verder verwerkt. Bij een te hoge meetwaarde kan er een alarmsignaal gegenereerd worden om zo een onderhoudsactie in te plannen.

Draadloze signalisatietoren

Bij grote productiesites kan het lang duren voor een rode of oranje signalisatielamp opgemerkt wordt. Om dat op te lossen, kan het foutsignaal vanuit de machine ontdubbeld worden naar een draadloze zender, die het signaal ook rechtstreeks naar de operator of het besturingssysteem kan sturen. Zo hoeft het foutsignaal niet meer visueel waargenomen te worden.

Pick-to-light

Bij pickinginstallaties is het vermijden van foute pickings een voortdurend aandachtspunt. Menselijke fouten zijn snel gebeurd, zeker als het werk eentonig is en de aandacht verslapt. Om het foutenpercentage te reduceren, kan er met pick-to-lightsystemen gewerkt worden, waarbij een lichtsignaal aangeeft uit welke bak de volgende picking moet gebeuren. Omdat elke bak een indicatielicht moet krijgen, lopen de bekabelingskosten echter snel op. Via PLC wordt de juiste indicatorlamp actief gemaakt. Na de picking duwt de operator een drukknop in, zodat het systeem weet dat de picking correct verlopen is. Vervolgens zal de volgende picking aangegeven worden.

INSTALLATIEFACTOREN

•Gebruik kwaliteitskabels om de zend- en ontvangantenne te verbinden met de rest van de installatie, want de hoge frequenties die gebruikt worden in draadloze communicatie, zijn niet meteen de beste vrienden van de bekabeling en connectoren. Bovendien moet ook de verbinding tussen beide van superieure kwaliteit zijn, zodat storingen geen kans krijgen.
•Verder moet er grote aandacht besteed worden aan de strenge plaatsingsvoorschriften voor databekabeling. Een typische fout bij het installeren is dat men geen rekening houdt met de bendingradius, waardoor de signaalkwaliteit razendsnel achteruitgaat.
•In de regel moet de antennebekabeling ook zo kort mogelijk gehouden worden, zodat kabelverliezen beperkt blijven. 
•Pas ook op bij toepassingsafleiders, waar nodig moeten dus de nodige voorzorgen genomen worden. 
•Hou bij de installatie ten slotte ook rekening met de omgeving. Zorg ervoor dat ze niet kan worden omgestoten door personeel of kan draaien onder invloed van wind of tocht. Een kleine verdraaiing van de richting kan al nefaste gevolgen hebben op het signaal. Zorg er ook voor dat er zich in de onmiddellijke omgeving geen metalen voorwerpen of andere antennes bevinden.