Czujniki bezprzewodowe

Umożliwiają monitorowanie pracy i wspomagają diagnostykę stanu maszyn, urządzeń i systemów tam, gdzie doprowadzenie przewodów jest trudne lub kosztowne. Otrzymane dane pomiarowe najczęściej są wykorzystywane do dokumentowania warunków procesu, analizy środowiska i warunków w zakładzie oraz ich wpływu na otoczenie, a także w celu spełnienia wymagań regulacyjnych dotyczących określonej branży.

Przesył danych bez użycia kabla jest wykorzystywany do monitoringu instalacji w trudno dostępnych lokalizacjach albo miejscach, gdzie nie można podłączyć okablowania bądź gdy kładzenie przewodów jest zbyt kosztowne. W przypadku gdy systemy bezprzewodowe nie mogą być traktowane jako pełna alternatywa sieci przewodowych, warto rozważyć wprowadzenie do zakładu konfiguracji hybrydowych – wykorzystujących technologie przewodowe i bezprzewodowe, gdyż korzyści z takiego rozwiązania może być naprawdę wiele.

Pomiary w praktyce

Jak wynika z przeprowadzonego badania redakcyjnego, stałe monitorowanie parametrów, takich jak temperatura, opary czy wibracje, dokonywane jest w 86% zakładów respondentów.

Zdaniem wszystkich sondowanych dostawców zainteresowanie przedsiębiorców stałym monitorowaniem parametrów jest obecnie dużo większe, niż było w ciągu ostatnich 2–3 lat.

W przypadku ok. 90% przedsiębiorstw pomiary są rejestrowane. Pozostali ankietowani przyznali, że w ich zakładzie pomiary są używane wyłącznie do bieżącej analizy (np. jedynie do sprawdzenia m.in. temperatury na wyświetlaczu, bez zapisu danych).

Jak wynika z rys. 1, pomiary w zakładach uczestników badania realizowane są z reguły przy użyciu sensorów przewodowych (81%). Co czwarty respondent wskazał na sensory bezprzewodowe, a co trzeci – na ręczny pomiar (np. odczyt temperatury z termometru dwa razy dziennie).

Jeśli chodzi o respondentów, w zakładach których nie korzysta się z sensorów bezprzewodowych, 70% przyznało, że byliby skłonni stosować sensory bezprzewodowe do wykonywania pomiarów. Pozostałych 30% osób nie jest zainteresowanych takim rozwiązaniem.

 

Argumenty na „nie”

Główne powody rezygnacji z sensorów bezprzewodowych to: problem z zasięgiem i zakłóceniami (62%), konieczność zasilania bateriami, które trzeba często wymieniać (57%), oraz wyższa cena rozwiązań bezprzewodowych w stosunku do przewodowych (43%) (rys. 2). Wśród odpowiedzi „inne” dominuje nieświadomość korzyści, jakie niesie zastosowanie czujników bezprzewodowych.

W opinii Tomasza Cieplińskiego, lidera zespołu CBM w firmie I-Care Polska, klienci często po prostu boją się tego rozwiązania. Głównie obawiają się problemów związanych z zasięgiem, trwałością i czasem pracy baterii. Posiłkując się doświadczeniem w eksploatacji bezprzewodowych czujników drgań i temperatury, należy zaznaczyć, że w tym wypadku wystarczy optymalizacja sprowadzająca się do użycia odpowiedniej baterii (najlepiej uniwersalnej, aby klient był w stanie wymienić ją samodzielnie po okresie gwarancji, a także o odpowiedniej pojemności, dopasowanej do poboru energii urządzenia) oraz możliwość przejścia czujnika w tryb czuwania. Jak wyjaśnia ekspert, w przypadku czujników wybudzających się z trybu uśpienia jedynie na chwilę pomiaru, a następnie wracających do trybu oszczędzania energii, bateria pozwala na pracę do 5 lat (przy zachowaniu odpowiedniej częstotliwości próbkowania).

 

Jakie czujniki?

Z badania wynika, że produktami, których zakupem ankietowani byliby najbardziej zainteresowani, są czujniki: temperatury i wilgotności (71%); przepływu cieczy oraz ciśnienia (52%); stanu łożysk (zintegrowana temperatura i wibracje) oraz prądu (po 48% wskazań); poziomu cieczy oraz ruchu (38%); wibracji (33%), a także czystości powietrza, gazów i oparów, światła i koloru oraz czujniki magnetyczne do kontroli wewnętrznej jakości elementów konstrukcyjnych (po 24% wskazań). W dalszej kolejności zostały wskazane czujniki hałasu (14%) oraz czujniki identyfikujące położenie przedmiotów, np. szpitalnych urządzeń medycznych (10%). Na końcu listy znalazły się: czujniki jakości montażu (kształt, wymiary), ugięcia konstrukcji (np. od obciążenia śniegiem) oraz do pomiaru odkształceń, umożliwiające np. badanie turbin bez konieczności demontażu – po 5% wskazań.

Jeśli chodzi o plany zakupowe na najbliższy rok, to, jak widać na rys. 3, respondenci deklarują, że zakupią jedynie czujniki przewodowe (40%) lub zarówno czujniki przewodowe, jak i bezprzewodowe (35%). Pozostały odsetek ankietowanych nie planuje zakupu żadnych dodatkowych czujników.

Jak wynika z praktyki sondowanych dostawców, popularność czujników bezprzewodowych jest obecnie umiarkowanie większa (68%) lub nawet dużo większa (32%) w porównaniu z okresem ostatnich 2–3 lat (rys. 4). Co do oceny obecnej sytuacji panującej na rynku czujników bezprzewodowych wszyscy dostawcy uważają, że jest ona dobra.

 

 

Dane z sensorów

Jak widać na rys. 5, dane z sensorów są wykorzystywane w zakładzie: w celu dokumentacji warunków, parametrów roboczych procesu (71%), do analizy środowiska i warunków w zakładzie i ich wpływu na otoczenie (np. wpływ temperatury na pracę maszyn, wpływ wilgotności na samopoczucie pracowników) (43%), a także w celu spełnienia wymagań regulacyjnych dla konkretnej branży (38%).

Naszym respondentom zadaliśmy również pytanie, czy byliby zainteresowani dokładniejszymi analizami danych pomiarowych pochodzących z sensorów w ich zakładzie. Okazuje się, że 42% osób byłoby jak najbardziej zainteresowanych tego typu analizami, w szczególności wpływem temperatury na pracę urządzeń, wpływem wilgotności na przebieg procesu oraz oceną stanu technicznego maszyn w oparciu o pomiary wibracji.

Na uwagę zasługuje fakt, że co czwarty uczestnik badania byłby skłonny stosować platformę do gromadzenia i przetwarzania danych w chmurze zamiast używania własnego systemu komputerowego.

Według połowy ankietowanych, głównym powodem rezygnacji z korzystania z platformy w chmurze jest strach przed dostępem do danych zakładu osoby z zewnątrz oraz obawa związana z utratą danych. Ok. 40% osób przyznało, że nie chce uiszczać opłaty subskrypcyjnej – zamiast tego woli zainstalować u siebie odpowiednie oprogramowanie. Ok. 30% respondentów powstrzymuje się przed tym rozwiązaniem, gdyż obawia się, że w przypadku bankructwa dostawcy platformy zostanie z niczym. Z kolei ok. 20% osób deklaruje, że w ich firmach nie korzysta się z platformy w chmurze ze względu na inne przyczyny, takie jak wewnętrzne regulacje koncernu i związany z tym zakaz wysyłania danych poza firmę, a także brak takiej potrzeby.

Jak podkreśla Piotr Szydłowski, w przypadku danych pozyskiwanych z czujników powinna być możliwość gromadzenia i analizowania z wykorzystaniem najbardziej perspektywicznego systemu gromadzenia i analizy danych, czyli tzw. chmury. Brak możliwości podłączenia do chmury powinien praktycznie eliminować sensor z rynku. Ponadto, zdaniem eksperta, czujniki bezprzewodowe powinny korzystać z transmisji dedykowanych dla rozwiązań sensorowych, czyli oszczędzających energię, pozwalających budować duże i rozległe sieci (Wi-Fi nie jest w tym wypadku odpowiednią technologią transmisyjną).

 

 

Bezprzewodowość – alternatywa lub konieczność

Rozwiązania bezprzewodowe i przewodowe często wzajemnie się uzupełniają. Jednak zdaniem przedstawiciela firmy Efento większy potencjał rozwojowy jest po stronie technologii bezprzewodowej, m.in. ze względu na mobilność.

Obecnie jest już wiele zastosowań, w których czujniki bezprzewodowe nie mają alternatywy, zwłaszcza w systemach mobilnych (transport, rolnictwo, nadzór powietrza). W przypadku możliwości alternatywnego zastosowania technologii kablowej na korzyść rozwiązania bezprzewodowego przemawiają: prostota i znacznie niższe koszty instalacji, łatwość serwisu oraz większa niezawodność związana z mniejszą liczbą połączeń mechanicznych i urządzeń aktywnych.

W przemyśle, gdzie od lat istnieje infrastruktura kablowa i całościowe rozwiązania na niej oparte, zastosowanie urządzeń bezprzewodowych z pewnością jest zasadne wtedy, gdy występuje trudność położenia instalacji kablowej – np. w już istniejących halach fabrycznych, gdzie trzeba „dołożyć” nowe sygnały, a zatrzymanie produkcji jest zbyt kosztowne. Innymi przykładami, w przypadku których racjonalne jest wykorzystanie rozwiązań bezprzewodowych, są: instalacje ruchome (np. wirówki w oczyszczalniach ścieków, pojazdy, suwnice) oraz instalacje, które zmieniają położenie, np. ze względu na wydobycie (kopalnie, kamieniołomy itd.). Również w przypadku korzystania z robotów przemysłowych, które ze względu na ruch są podatne na zniszczenie przewodu, sprawdzają się tego typu urządzenia.

Ogólnie można powiedzieć, że wybór technologii wireless zdecydowanie rośnie wśród klientów związanych z utrzymaniem ruchu czy serwisem, dla których zdalny dostęp i diagnostyka jest elementem wzrostu skuteczności i optymalizacji logistyki świadczonych usług. Należy jeszcze raz podkreślić, że wszędzie tam, gdzie układanie przewodów jest niemożliwe lub nieekonomiczne albo niesie ryzyko technologiczne, stosuje się obecnie systemy bezprzewodowe. Dzisiejszy nabywca technologii bezprzewodowej może więc reprezentować każdą dziedzinę przemysłu lub sektora usług.

 

 

Od czujnika po sieć

Z tematem czujników wiąże się bezpośrednio zagadnienie dotyczące bezprzewodowych sieci sensorowych (WSN – Wireless Sensor Network), zbudowanych z bardzo dużej liczby urządzeń pomiarowych zwanych sensorami. Warto nadmienić, że w skład pojedynczego sensora wchodzą m.in.: moduł nadawczo-odbiorczy, akumulator oraz czujnik. Sygnał elektryczny wysyłany z czujnika zamieniany jest na sygnał cyfrowy i przesyłany w sieci zgodnie z określonym protokołem, podobnie jak ma to miejsce w przypadku sieci bezprzewodowych. Jednak w porównaniu z nimi elementy bezprzewodowych sieci sensorowych są gęściej rozmieszczone, a topologia samej sieci zmienia się w czasie. Sieci sensorowe są w głównej mierze stosowane do pomiaru wielkości fizycznych oraz chemicznych, takich jak temperatura, przyspieszenie czy zanieczyszczenie atmosferyczne. Omawiane sieci mają charakter rozproszony i pogrupowane są w węzły składające się z jednego czujnika bądź kilku. W tak skonfigurowanej sieci sensory zazwyczaj komunikują się w trybie ad hoc albo między sobą, przesyłając informację o pomiarach przez węzły pośrednie do wyższych warstw systemu, albo bezpośrednio z punktami dostępowymi, dzięki czemu tworzą bezprzewodową samoorganizującą się sieć sensorową.

Na uwagę zasługuje fakt, że w węźle ma miejsce częściowa obróbka otrzymanych danych, które przesyłane są drogą radiową do stacji bazowej. Jeśli sieci są rozległe, węzły grupowane są w podsieci zwane klastrami, przy czym punkty centralne są tworzone w taki sposób, aby klastry mogły się ze sobą komunikować.

Jeśli chodzi o obszary, w których wykorzystywane są bezprzewodowe sieci sensorowe, to stosowane są one wszędzie tam, gdzie konieczna jest akwizycja danych pomiarowych z wielu punktów bądź konieczne jest sterowanie pracą określonych urządzeń, a korzystanie z metody przewodowej jest utrudnione lub nawet niemożliwe.

Sieci sensorowe, zawdzięczające swoje powstanie technice wojskowej, stosowane są z powodzeniem m.in. w medycynie (do zdalnego monitoringu stanu pacjentów), automatyce budynkowej (do sterowania oświetleniem, ogrzewaniem, klimatyzacją itd.), a także w przemyśle. Jeśli chodzi o zastosowania przemysłowe, warto wspomnieć chociażby o pomiarze temperatury w kotłach hutniczych, wilgotności powietrza w halach produkcyjnych oraz o zarządzaniu stanem magazynu (Inventory System), które to rozwiązanie zostało po raz pierwszy wykorzystane przez firmę Tesco do zdalnego monitorowania stanu zapasów. Tego rodzaju system złożony jest z wielu węzłów sieciowych umieszczonych na magazynowych paczkach, przy czym każdy węzeł ma unikalny kod związany z produktem umieszczonym w pojemniku.

Sprawdzenie dostępności danego towaru w magazynie wymaga od pracownika wysłania bezprzewodowo zapytania z kodem danego produktu. Informacje o rzeczywistym stanie produktów wysyłane są także cyklicznie do stacji odbiorczych, gdzie tworzone są raporty i zestawienia dla działów zaopatrzenia i sprzedaży.

 

 

Bezprzewodowa transmisja mierzonego sygnału pozwala na realizację pomiarów w miejscach, które z powodów ograniczeń fizycznych lub ekonomicznych uważane były wcześniej za niedostępne.

Z kablem czy bez kabla?

Decyzja o wykorzystaniu czujników bezprzewodowych, czy też – traktując temat szerzej – o zastosowaniu w zakładzie przemysłowych systemów bezprzewodowych, powinna być w pełni świadoma i dokładnie przemyślana.

Rozważając wykorzystanie technologii bezprzewodowych w środowisku przemysłowym, powinno się przeanalizować takie aspekty, jak: koszt, niezawodność, bezpieczeństwo, mobilność, skalowalność czy elastyczność.

Jeśli chodzi o aspekt finansowy, decyzja o wprowadzeniu rozwiązań bezprzewodowych w miejsce kablowych powinna przekładać się na realne oszczędności. Co do niezawodności, warto pamiętać o tym, że medium bezprzewodowe jest podatne na zakłócenia okresowe, interferencje i zaniki, tak więc kanał komunikacji nadajnik-odbiornik może stosunkowo łatwo ulec zakłóceniu.

Połączenia przewodowe też nie są bez wad, czego przykładem jest chociażby realne zagrożenie uszkodzenia kabla. Dużym zagrożeniem jest też otwartość medium i możliwość nieautoryzowanego odbioru bądź nieuprawnionego nadawania. Na szczęście istnieją skuteczne sposoby podwyższające poziom bezpieczeństwa i gwarantujące poufność realizowanych przekazów.

Bardzo ważną kwestią jest też wspomniana mobilność – rezygnacja ze sztywnej infrastruktury kablowej oraz uwolnienie użytkowników od kabli pozwala na swobodne przemieszczanie urządzeń na obszarze zasięgu sieci i zachowanie przy tym ciągłości przekazywania informacji. Koniecznością we współczesnych dynamicznych środowiskach przemysłowych jest też elastyczność technologii bezprzewodowej, umożliwiająca bezproblemowe dostosowanie do zmieniających się planowanych lokalizacji i wymagań w bardzo krótkim czasie oraz uzupełnienie sieci o nowe czujniki, trwające nie dłużej niż ich montaż.

W opinii uczestników badania rozwiązania bezprzewodowe, w tym czujniki, zyskują stale na popularności i obejmują kolejne branże, na co ma wpływ m.in. poszerzenie oferty dostępnej na rynku, odpowiadającej coraz to nowszym potrzebom. Zdaniem dostawców w systemach bezprzewodowych drzemie ogromny potencjał – cały czas rośnie zapotrzebowanie na tego typu produkty oraz pojawiają się nowe rynki zbytu. Mimo że w aplikacjach przemysłowych wciąż dominują „kable”, niektórzy analitycy prognozują, że przyszłość przemysłowej komunikacji należeć będzie do rozwiązań bezprzewodowych – wówczas bezprzewodowość stanie się standardem, natomiast „kable” będą postrzegane jako ostateczność.

Raport powstał na podstawie danych z ankiety, na którą odpowiedzieli czytelnicy magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców czujników bezprzewodowych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.

Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii; od wielu lat związaną z branżą wydawniczą.

Tekst pochodzi z nr 3/2018 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”.