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Draadloze instrumentatie
Is de toekomst realiteit geworden?
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Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
In Bologna, de geboorteplaats van Marconi – uitvinder van onder andere de
draadloze communicatie – was het verzamelen geblazen voor de Europese
vakpers. De aangekondigde primeur was niet van de minste: de introductie
van de “Wireless Plant”, zoals Emerson Proces Management die ziet. Tot nu
werd ‘draadloos’ in procesinstallaties min of meer voor onmogelijk
gehouden, vooral omwille van de ontoereikende betrouwbaarheid van de
gegevensoverdracht.
Emerson Process Management heeft dus nu ook In
Europa zijn 2,4 Ghz in-plant ‘Smart Wireless’ oplossingen geïntroduceerd.
In Noord-Amerika waren deze draadloze oplossingen al in de handel. Hier
gaat het om 900 MHz-versies, terwijl in Europa enkel 2,4 Ghz toegelaten
is. Ze zijn een uitbreiding van Emerson’s PlantWeb digitale
productiearchitectuur en, naar zeggen van zijn ontwikkelaars, de eerste in
de industrie die zelforganiserende netwerktechnologie gebruiken om
gegevens te leveren uit bronnen die vroeger fysiek of economisch niet
haalbaar waren.
Het hekele punt is – denk aan proceskritische installaties - uiteraard de
betrouwbaarheid. Deze is, volgens Emerson ‘uitstekend’. De afgelopen drie
jaar zijn diverse veldtesten uitgevoerd bij zowel Noord-Amerikaanse als
Europese productiebedrijven. Vergeleken met bekabelde instrumentatie,
toonden deze proefopstellingen naar verluidt een 99% hoge betrouwbaarheid
van het netwerk aan, tegelijk met 90% lagere kosten. Die hoge
betrouwbaarheid heeft dan weer alles te maken met het concept van de
zelforganiserende netwerken.
Zelforganiserende netwerken
In tegenstelling tot bekabelde netwerken zijn zelforganiserende netwerken
inherent al zeer betrouwbaar, omdat zij de draadloze apparatuur in het
veld kunnen inschakelen als alternatief en redundant communicatiekanaal.
Deze vorm van redundantie maakt het mogelijk dat meer dan 99% van de
berichten binnen het netwerk zijn bestemming bereikt, wat op zich geen
eenvoudige prestatie is gezien de stoorinvloeden veroorzaakt door
bijvoorbeeld metaalmassa’s in veel productiefaciliteiten.
Het nieuwe ‘In-plant Smart Wireless’ 2,4 GHz netwerk maakt gebruik van de
moderne TSMP-zelforganiserende ((Time Synchronised Mesh Protocol)
draadloze netwerktechnologie. Dit maasvormige (mesh) netwerk zoekt zijn
weg via alle stations in het netwerk om het meest optimale radiosignaalpad
naar de gateway te vinden. Mits voldoende stations in het netwerk aanwezig
zijn, omzeilt het netwerk objecten die de communicatielijn belemmeren.
TSMP is geen uniek protocol, want binnen de bekende HART Communication
Foundation bestaat al een werkgroep die zich met draadloos HART
bezighoudt. Zoekende naar een passend protocol is voor het genoemde TSMP
gekozen, gebaseerd op de IEEE 802.15.4 WPAN (Wireless Personal Area
Network), die weer is gebaseerd op Bluetooth. De doelstelling hiervan is
een eenvoudig WPAN te ontwikkelen met laag energieverbruik.
Omdat betrouwbaarheid zeer gevoelige materie is bij kritische
procesinstallaties, ging Emerson nog een stap verder door een beroep te
doen op externe specialisten. Het resultaat is dat de TSMP-technologie
aangevuld is met de CSMA-technologie (Carrier Sense Multiple Access) voor
de opbouw van de “Cluster Tree”. In de CSMA-technologie gaat het om het
opbouwen van actieve netwerkverbindingen tussen de devices in. In dit
geval zal het draadloze instrument eerst trachten te communiceren met de
draadloze gateway. Indien deze echter niet bereikbaar blijkt te zijn, gaat
het instrument aankloppen bij een andere gebuur, die vervolgens gaat
functioneren als “repeater” en het ontvangen signaal doorzendt tot de
gateway is bereikt. Zodoende krijgt men ingebouwde redundantie en een
zichzelf herstellend netwerk. De plaatsing van de verschillende antennes
wordt hierdoor minder kritisch.
Batterijen: 5-15 jaar
Emerson claimt een levensduur van de batterijen van tussen 5 en 15 jaar -
afhankelijk van het instrument. Het bedrijf verklaart deze lange
levensduur doordat de centrale gateway voortdurend het hele netwerk
optimaliseert zodat geen van de nodes onnodig voor datacommunicatie
aangesproken wordt. Daarnaast zijn enkele interessante speciale
voedingsbronnen ontwikkeld die energie halen uit warmte, trilling of via
zonne-energie.
Onafhankelijke beveiligingsexperts hebben ook de beveiliging beoordeeld.
Encryptie, authenticatie, verificatie, antistoring en technieken voor
sleutelbeheer worden voor een degelijke beveiliging ingezet. Daarbovenop
komt dat de ‘inbreekveiligheid’ maximaal is door gebruik te maken van het
willekeurige ‘channel hopping’, hetgeen door uitvoerige veldtesten is
bevestigd. Er wordt gebruik gemaakt van een open protocol, en veel
leveranciers van gelijksoortige producten werken samen om van hetzelfde
protocol gebruik te maken. Emerson werkt tesamen met leveranciers van
apparatuur, klanten en organisaties uit de industrie, waaronder de reeds
aangehaalde Wireless HART werkgroep van de HART Communication Foundation
en ISA SP-100, aan de ontwikkeling van standaarden voor draadloos, die
voldoen aan de eisen van industriële bewaking en besturing. Dit met het
doel om de technologie voor netwerken met draadloze sensoren mogelijk te
maken. <<
Kadertekst:
Procesingenieurs wensen draadloze instrumentatie
Uit een uitgebreid onderzoek bij zo’n 14.000 eindgebruikers, blijkt dat
80% van de ondervraagden de voorkeur geeft aan ‘draadloos’ voor hun
volgende toe te voegen meetpunt.
Er zijn wel voorwaarden aan verbonden: een hoge betrouwbaarheid, een
gestandaardiseerde oplossing en zeer laag energieverbruik. De
betrouwbaarheid heeft te maken met de zekerheid dat een signaal het
systeem bereikt en met de veiligheid van de dataoverdracht.
Andere belangrijke aspecten om draadloze instrumentatie ingang te doen
vinden zijn de “easy-to-use” en “reliable-to-use” technologieën. Het is
eenvoudig in te zien dat het installatiegemak en de kosten van draadloze
instrumentatie laag kunnen zijn in vergelijking met dezelfde hoeveelheid
bekabelde instrumenten. Daarnaast zijn er ook geen speciale
RF-vergunningen nodig.
De door Emerson voor Europa uitgebrachte toepassingen werken op 2,4 GHz,
de wettelijke band voor Europa voor instrumentatietoepassingen. Voordeel
van deze hoge frequentie is tevens de vrij hoge propagatiegraad in
moeilijke omgevingen. Nadeel is echter de communicatieafstand,de
bijhorende energievereiste voor de RF-devices en mogelijke
storingsbronnen. Dit laatste moet echter worden opgevangen via de
TSMP-techniek aangevuld met CSMA-technologie.
Instrumentation sans fil
L’avenir est-il devenu réalité? Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
La presse européenne s’est rassemblée à Bologne, lieu de naissance de
Marconi, l’inventeur entre autres de la communication sans fil. La primeur
annoncée n’était pas des moindres: l’introduction de la ‘Wireless plant’
vue par Emerson Process Management. Jusqu’à présent, le ‘sans fil’ était
considéré comme plus ou moins impossible dans les installations de
processus, surtout en raison de la fiabilité insuffisante du transfert de
données. Emerson Process Management a désormais aussi introduit ses solutions
‘In-plant Smart Wireless’ à 2,4 Ghz en Europe. Ces solutions sans fil
étaient déjà commercialisées en Amérique du Nord. Il s’agit là de versions
à 900 MHz tandis que l’Europe n’accepte que le 2,4 Ghz. Extension de
l’architecture de production numérique PlantWeb d’Emerson, ces solutions
sont, aux dires des développeurs, les premières dans le monde industriel à
utiliser une technologie de réseau qui s’auto-organise pour fournir des
données d’instruments qui étaient auparavant physiquement ou
économiquement hors d’atteinte.
La fiabilité constitue naturellement le point épineux de telles solutions
– pensez aux installations de processus critiques. Celle-ci est
‘excellente’ selon Emerson. Ces trois dernières années, divers tests ont
été réalisés sur le terrain, tant dans des sociétés de production
d’Amérique du Nord que d’Europe. Comparées à l’instrumentation câblée, ces
installations de test affichaient, selon Emerson, une fiabilité du réseau
de 99% et une réduction de 90% des frais. Cette grande fiabilité est
entièrement liée au concept de réseaux qui s’auto-organisent.
Des réseaux qui s’auto-organisent
Contrairement aux réseaux câblés, les réseaux qui s’auto-organisent sont
déjà intrinsèquement très fiables, car ils peuvent utiliser l’équipement
sans fil présent sur le terrain comme canal de communication alternatif et
redondant. Grâce à cette forme de redondance, plus de 99% des messages au
sein du réseau atteignent leur destination, ce qui constitue en soi une
performance impressionnante vu les influences perturbatrices provoquées
par les masses métalliques présentes dans de nombreuses installations de
production, par exemple.
Le nouveau réseau ‘In-plant Smart Wireless’ à 2,4 GHz recourt à la récente
technologie de réseau sans fil auto-organisée TSMP (Time Synchronised Mesh
Protocol). Ce réseau maillé (mesh) cherche son chemin au travers de toutes
les stations du réseau afin de trouver le trajet de signal radio optimal
vers la passerelle. Si le nombre de stations dans le réseau est suffisant,
le réseau contourne les objets qui bloquent la ligne de communication.
TSMP n’est pas un protocole isolé. Il existe déjà au sein de la HART
Communication Foundation un groupe de travail qui s’occupe du HART sans
fil. Dans leur recherche d’un protocole adéquat, le choix s’est porté sur
TSMP, basé sur l’IEEE 802.15.4 WPAN (Wireless Personal Area Network), qui
s’appuie sur Bluetooth. Le but est de développer un WPAN simple, peu
gourmand en énergie.
Puisque la fiabilité reste une matière très sensible dans les
installations de processus critiques, Emerson est allée encore plus loin
en faisant appel à des spécialistes externes. La technologie TSMP a alors
été complétée par la technologie CSMA (Carrier Sense Multiple Acces) pour
la construction du ‘Cluster Tree’. La technologie CSMA cherche à établir
des liaisons de réseau actives entre les appareils. Dans ce cas,
l’instrument sans fil tentera d’abord de communiquer avec la passerelle
sans fil. Si celle-ci s’avère inaccessible, l’instrument s’adressera à un
autre voisin, qui jouera le rôle de ‘répéteur’ et transmettra le signal
reçu jusqu’à ce que la passerelle soit atteinte. On obtient de la sorte
une redondance intégrée et un réseau qui s’auto-restaure. Le placement de
différentes antennes devient ainsi moins critique.
Batteries: 5-15 ans
Emerson revendique une longévité des batteries variant entre 5 et 15 ans,
en fonction de l’instrument. La société explique cette grande longévité
par le fait que la passerelle centrale optimise continuellement l’ensemble
du réseau. De ce fait, aucun nœud n’est sollicité inutilement pour la
communication de données. Par ailleurs, plusieurs sources d’alimentation
spécifiques intéressantes ont été développées afin d’extraire de l’énergie
de la chaleur, des vibrations ou du rayonnement solaire. Des experts en
protection indépendants ont également évalué la sécurité. Des techniques
de chiffrement, d’authentification, de vérification, d’anti-brouillage et
de gestion de clés sont mis en œuvre dans une approche de protection
correcte. La ‘sécurité anti-effraction’ est en outre maximale grâce à
l’utilisation du ‘channel hopping’ aléatoire, ce qui a été confirmé par
des tests exhaustifs sur le terrain. Le recours à un protocole ouvert
permet à de nombreux fournisseurs de produits similaires de collaborer en
utilisant le même protocole. Emerson collabore avec des fournisseurs
d’équipements, des clients et des organisations industrielles -parmi
lesquelles le groupe de travail Wireless HART déjà cité de la HART
Communication Foundation et ISA SP-100 - au développement de standards
pour la communication sans fil. Ces standards doivent rencontrer les
exigences de surveillance et de commande industrielles, ceci dans le but
de donner vie à la technologie de réseau pour capteurs sans fil. <<
Encadré:
Les ingénieurs de processus désirent une instrumentation sans fil
Une vaste étude menée auprès de quelque 14.000 utilisateurs finaux montre
que 80% des personnes interrogées préfèreraient le ‘sans fil’ lors de
l’ajout de leur prochain point de mesure.
Ce choix est toutefois lié à des conditions: une grande fiabilité, une
solution standardisée et une très faible consommation d’énergie. La
fiabilité est liée à la certitude qu’un signal atteigne le système et à la
sécurité du transfert de données.
La ‘convivialité’ et les technologies ‘fiables à l’usage’ sont d’autres
aspects importants et indispensables pour que l’instrumentation sans fil
fasse son chemin. On comprend aisément que la facilité d’installation et
les coûts d’une instrumentation sans fil puissent être faibles comparés à
la même quantité d’instruments câblés. Par ailleurs, aucune licence RF
spéciale n’est nécessaire.
Les applications mises sur le marché par Emerson pour l’Europe
fonctionnent en 2,4 GHz, la bande légale pour les applications
d’instrumentation en Europe. Cette fréquence élevée a aussi pour avantage
de présenter un taux de propagation assez élevé dans des environnements
difficiles. La distance de communication, l’exigence d’énergie inhérente
aux appareils RF et les éventuelles sources de perturbation constituent
toutefois des inconvénients. Ce dernier inconvénient devrait être
contrecarré par le recours à la technique TSMP complétée par la
technologie CSMA.
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