IOT et industrie : Comprendre le capteur sous-jacent et les technologies sans fil dans les applications IIoT

Cet article est paru dans Microwaves & RF et a été publié ici avec autorisation.De la maison connectée et des appareils portables intelligents à l'industrie 4.0 et aux applications de villes intelligentes, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) imprègnent presque toutes les applications imaginables. Ils apportent l'automatisation à des tâches manuelles simples avec des actionneurs télécommandés et des environnements de surveillance / suivi avec des capteurs de systèmes microélectromécaniques (MEMS) évolutifs. Ces dispositifs relativement simples et à énergie limitée révèlent un potentiel énorme en matière de collecte de données et d'analyse de données pour mieux évaluer les systèmes humains, machines et même végétaux.In IoT industriel (IIoT), solutions sans fil à courte portée, cellulaires et à faible consommation d'énergie Les réseaux de zone (LPWAN) peuvent être exploités pour prendre en charge les différents nœuds de capteurs. Le choix des communications industrielles dépend de la question de savoir si le processus est critique en temps avec le besoin de données en temps réel ou non critique en temps avec des transmissions fréquentes ou peu fréquentes. En fonction de l'application industrielle en question, il existe de nombreux cas d'utilisation de l'IIoT dans lesquels de nombreuses technologies de capteurs et / ou protocoles de communication peuvent être mis en œuvre (figure 1). En fonction de l'application industrielle à portée de main, il existe de nombreux cas d'utilisation de l'IIoT dans lesquels de nombreuses technologies de capteurs et / ou protocoles de communication peuvent être mis en œuvre Surveillance des processus La surveillance des processus est probablement la plus grande application pour les WSN industriels (IWSN) car elle nécessite le placement et suivi de milliers à des dizaines de milliers de nœuds de capteurs sur de grandes distances. Cette méthode centralisée de suivi des opérations de l'industrie est ce qui conduit à la réalisation de stratégies de maintenance prédictive qui minimisent systématiquement les temps d'arrêt de l'usine et économisent sur les frais généraux d'exploitation. Cas d'utilisation de l'état de la machine et types de capteurs courants Les équipements hyper-spécialisés sont exploités partout dans l'IIoT car la surveillance des défauts courants est essentielle pour maintenir les performances optimales de l'équipement de la machine. Par exemple, alors qu'un système de commande numérique par ordinateur (CNC) haut de gamme peut effectuer un usinage de précision à grande échelle, il peut rencontrer les défauts courants de déséquilibre de la broche.Si un tel défaut se produit, le déséquilibre de masse dans le système de broche peut faire vibrer la machine-outil, ce qui dégrade finalement la précision de la machine et risque de causer d'autres dommages à la machine si elle n'est pas réparée.1 En règle générale, les roulements de la broche sont analysés pour les vibrations car ils permettent à l'arbre de rester en place pendant la rotation – des vibrations inhabituelles seraient donc Les accéléromètres sont capables de surveiller et de détecter de telles défaillances de machines-outils en collectant des données sur les vibrations. Les capteurs d'émission à ultrasons et acoustiques peuvent détecter les dommages dans les roulements de la broche avant que des vibrations notables ne se produisent en discernant les émissions acoustiques ultrasoniques résultant de la dégradation du métal. Armés de la connaissance du fonctionnement thermique nominal, les capteurs de température peuvent également détecter des anomalies de température dans divers composants critiques de la machine. Un capteur de courant inductif détecte également les variations du courant consommé par le moteur électrique et détecte de manière similaire les anomalies. Ces mêmes principes peuvent être appliqués à toute grande machine qui comprend un gros moteur électrique. Les grues, par exemple, sont souvent utilisées dans les installations de fabrication pour déplacer de gros équipements lourds des voitures particulières aux avions. Les poulies et les moteurs électriques se trouvent dans les bandes transporteuses qui sont utilisées dans un large éventail d'applications, notamment l'extraction du charbon, la transformation des aliments et la ségrégation chimique. Les accéléromètres, les capteurs de température et les capteurs de courant inductifs sont tous utiles pour la surveillance adéquate de ces machines.2 Cas d'utilisation de surveillance d'actifs et types de capteurs courants Les fabricants de pétrole et de gaz surveillent les actifs tels que les pipelines sur de grandes distances. Dans cette application, les fuites et les ruptures sont évitées à tout prix pour éviter les pertes de vie potentielles et les dommages à l'environnement. Les pipelines présentent plusieurs modes de défaillance importants, notamment des défauts de construction / fabrication; dommages lors de l'installation; corrosion; et les forces terrestres telles que les tremblements de terre, les glissements de terrain et les incidents météorologiques extrêmes.3 Les accéléromètres externes peuvent surveiller le débit du pipeline en suivant les vibrations induites par le débit. La surveillance des fissures peut être réalisée par détection ultrasonique ou par fuite de flux magnétique transversal. Les défaillances dues à la corrosion peuvent être évitées grâce à plusieurs capteurs dotés de technologies telles que la RFID et la fibre optique. Les capteurs sismiques peuvent fournir une carte souterraine pour les plates-formes de forage offshore, améliorant ainsi l'efficacité de la plate-forme.Dans les installations de traitement chimique, alimentaire et pharmaceutique, les réservoirs de mélange font pivoter les produits chimiques et les ingrédients qui sont ajoutés en valeurs précises. Des capteurs placés à des endroits clés de ces réservoirs mesurent des paramètres tels que la température, l'humidité, la pression, la valeur du pH et le niveau de remplissage, garantissant ainsi des procédures opérationnelles optimales avec peu ou pas d'intervention manuelle. Les protocoles IoT pour la surveillance des processus varient considérablement en fonction de l'application. Le tableau 1 ci-dessous répertorie certains protocoles IoT couramment utilisés et certains de leurs paramètres clés respectifs. Souvent, les WSN surveillent l'état de la machine au sein d'une installation qui, comparée à certaines applications de surveillance d'actifs telles que le suivi de l'état du pipeline, est contenue dans une zone relativement petite.Dans les cas où de petites charges utiles de données sont rarement transmises, les LPWAN tels que LoRa, Sigfox et NB-IoT offrent des schémas de modulation à bande étroite à des fréquences inférieures au gigahertz, deux qualités qui augmentent la portée du signal. Les LPWAN sont connus non seulement pour de grandes distances de transmission, mais également pour une longue durée de vie de la batterie au-delà de 10 ans et des architectures un-à-plusieurs dans lesquelles des milliers d'appareils peuvent être connectés sans fil à une passerelle (lorsque les nœuds de capteurs peuvent être déployés à l'échelle de des dizaines de milliers, les techniques de récupération d'énergie et la durée de vie de la batterie sont des considérations critiques.) Cependant, les protocoles LPWAN sont souvent asynchrones avec des transmissions non planifiées. Ainsi, ils sont sensibles aux collisions de données à des capacités réseau élevées. Cela ne serait pas idéal pour les applications IIoT à temps critique qui nécessitent des transmissions déterministes et fiables avec un faible taux d'erreur sur les bits (BER). Les réseaux sans fil spécifiques à l'industrie tels que WirelessHART et ISA100.11a sont basés sur IEEE 802.15.4, les réseaux personnels sans fil à bas débit (LR-WPAN). Avec une portée maximale de 200 mètres, ceux-ci offrent un débit allant jusqu'à 250 kb / s et des latences de 10 à 100 ms pour plus de communication en temps réel sur les processus critiques. Santé et sécurité La surveillance des conditions environnementales avec les installations d'alarme intelligentes respectives est essentielle pour protéger les travailleurs industriels et maintenir le bon fonctionnement des opérations. Cela implique souvent l'utilisation de nœuds de capteurs à base de gaz / produits chimiques autour de zones à risque particulier.Dans l'industrie pétrolière et gazière, le suivi des fuites de méthane hautement combustible est primordial pour prévenir toute explosion potentielle autour des têtes de puits. Les purgeurs de vapeur utilisent une vaste gamme d'installations de fabrication pour filtrer le condensat de l'air sans laisser la vapeur s'échapper. Un purgeur de vapeur défectueux ne parviendrait pas à éliminer les gouttelettes d'eau de la vapeur, entraînant l'accumulation d'eau et la rupture des conduites de vapeur, entraînant des temps d'arrêt coûteux et des risques pour la sécurité.Des capteurs acoustiques et des capteurs de température ont été utilisés pour surveiller le comportement de ces composants critiques afin d'éviter tout coût coûteux. les échecs. Les mines souterraines sont réputées pour leurs conditions de sécurité dangereuses; les paramètres environnementaux tels que les émissions de monoxyde de carbone, les émissions de méthane et le débit d'air sont activement surveillés pour garantir un environnement de travail sûr. Des protocoles fiables et déterministes sont nécessaires pour ces applications, faisant souvent appel à des communications WirelessHART ou ISA100.11a au sein de l'installation. Bien que ces protocoles puissent consommer plus d'énergie sur les nœuds de capteurs que d'autres technologies WSN telles que Bluetooth Low Energy (BLE) ou LPWAN, la capacité à effectuer une analyse et un contrôle en temps réel des données est essentielle pour garantir des mesures de sécurité adéquates, à la fois WirelessHART et ISA100. 11a ont été spécifiquement conçus pour des applications industrielles. WirelessHART est l'alternative sans fil aux technologies HART existantes et ISA100.11a a été développé par l'International Society of Automation (ISA) pour prendre en charge plusieurs protocoles déjà utilisés dans les applications industrielles, notamment HART, Modbus, Foundation Fieldbus et ProfiBus. Les deux réseaux prennent en charge les réseaux en étoile et maillés avec une communication bidirectionnelle entre l'hôte et le nœud du capteur.4 Suivi des actifs avec RTLSComparé aux systèmes de suivi extérieurs qui reposent sur le GPS et donnent généralement une précision d'environ 10 m, les systèmes de position intérieure (IPS) tels que le temps réel les systèmes de localisation (RTLS) peuvent atteindre des précisions égales ou inférieures sans la prise en compte majeure des signaux satellites pénétrant les murs de l'usine. Le tableau 2 ci-dessous répertorie certains des RTLS les plus couramment utilisés. Ces IPS peuvent être appliqués sur le plancher de l'usine pour suivre activement les équipements intérieurs en mouvement comme les chariots élévateurs et suivre activement les stocks en cours de transport dans une installation. Environnements extérieurs, par ex. les chantiers de camions peuvent tirer parti des RTLS pour surveiller et gérer les mouvements des camions en attribuant des quais et en suivant le chargement / déchargement de la cargaison. Les systèmes de positionnement en intérieur emploieront soit une méthode de trilatération, soit une méthode de localisation d'empreintes digitales, selon le protocole sans fil utilisé. La trilatération utilise des distances estimées pour calculer les coordonnées les plus probables d'un objet. La méthode d'empreintes digitales compare les caractéristiques du signal actuel avec un ensemble précédemment catalogué de caractéristiques de signal obtenues à partir des emplacements d'empreintes digitales – la mise en œuvre est souvent plus techniquement impliquée. Le mouvement d'un capteur peut alors être obtenu en comparant les mesures en ligne avec «l'empreinte digitale». Par souci de concision, cette section couvrira deux protocoles RTLS populaires: Bluetooth et Ultra-large bande (UWB) .L'utilisation d'un système UWB pour RTLSUltra-large bande (UWB) envoie essentiellement une rafale d'énergie de durée extrêmement courte (pour les applications RTLS, le court Les impulsions de la modulation UWB permettent des estimations de retard précises, ce qui aboutit à des données de position / position. En règle générale, la technologie UWB exploite les informations d'heure d'arrivée (ToA) et de différence de temps d'arrivée (TDoA) générées par des balises émettant une faible puissance Impulsions UWB qui sont reçues par les capteurs ou les lecteurs UWB. Ces impulsions sont utilisées pour déterminer l'emplacement 3D précis d'une étiquette avec une précision centimétrique. Cependant, une synchronisation temporelle précise est nécessaire entre les lecteurs UWB d'un réseau pour obtenir avec succès les données de localisation. Le Les fréquences UWB ont des attributions de fréquences comprises entre 3,1 et 10,6 GHz. En règle générale, une antenne monopôle plane est utilisée dans ces applications en raison de leur diagramme de rayonnement omnidirectionnel et de leur capacité à y impédance d'entrée stable sur la large bande passante. En raison de leurs performances dans la bande X et du fait que les dimensions des traces deviennent plus petites à des fréquences plus élevées, ces antennes offrent une solution de petit facteur de forme qui peut être imprimée sur le même PCB contenant l'émetteur / récepteur. protocole à courte portée, les modules BLE sont utilisés dans les applications RTLS en fournissant des balises Bluetooth pour diffuser du contenu localisé. Ces balises peuvent agir comme des capteurs de proximité en diffusant des signaux de faible énergie avec des paquets de données à des intervalles de temps prédéterminés (> 100 ms). Les distances sont calculées avec des lectures d'indicateur de force du signal reçu (RSSI), extrapolant finalement les distances entre les nœuds en fonction de la relation mathématique entre la force du signal reçu et la propagation d'un signal RF dans l'espace.6 Cela crée une carte en direct de l'inventaire équipé d'identifiants uniques et d'étiquettes BLE avec des données de localisation activement mises à jour. Étant donné que la plupart des appareils intelligents sont compatibles Bluetooth (par exemple, les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables), cela peut potentiellement éliminer le besoin de matériel personnalisé, ce qui entraîne des économies de coûts considérables.Bien que BLE prend en charge les topologies maillées avec des communications bidirectionnelles, les balises BLE prennent généralement en charge un. moyens de communication et sont donc limités aux topologies en étoile. Dans de telles configurations, les balises se connectent à un périphérique / routeur compatible Bluetooth et relaient les informations au cloud, généralement via cellulaire ou Wi-Fi.Comme mentionné précédemment, bon nombre de ces balises peuvent inclure des SoC multi-protocoles avec un sous-gigahertz, réseau sans fil longue portée pour contrôler / surveiller les environnements d'usine avec un éclairage intelligent ou un contrôle HVAC. La grande fenêtre pour le paquet publicitaire peut permettre à la radio sous-gigahertz d'être dans un état de réception, obtenant des paquets d'informations non fréquents et imprévisibles à partir d'emplacements distants dans l'installation. En règle générale, les conceptions de balises BLE impliqueront une antenne PCB de 2,4 GHz associée à une puce Bluetooth spécifique au fournisseur. Dans certains cas, la puce Bluetooth aura une antenne puce intégrée. Si la carte employait un protocole de fréquence sub-gigahertz, une antenne PCB ne serait pas viable car elle serait trop grande. Comme indiqué précédemment, BLE utilise généralement la trilatération (RSSI) pour déterminer les zones de localisation. Dans ce cas, un diagramme de rayonnement omnidirectionnel convient souvent en raison de la couverture de faisceau de 360 ​​degrés sur le sol de l'usine, à condition que l'antenne corresponde à l'impédance de l'émetteur pour un transfert et une portée maximaux du signal (Fig. 2). Cependant, un algorithme TDoA peut être implémenté, calculant soit deux angles à partir d'un signal de balise singulier, soit trois angles à partir de deux signaux de balise. Dans ce cas, une carte 3D peut potentiellement être créée en utilisant la cartographie complexe et le placement de balises BLE équipées de réseaux d'antennes plus sophistiqués.7 2. Les antennes PCB Bluetooth avec un diagramme de rayonnement omnidirectionnel sont souvent adaptées en raison du 360 degrés. La gestion de la flotte industrielle peut varier selon les voitures particulières, les semi-remorques, les chemins de fer, les avions, les navires et les équipements lourds. Les camions représentent à eux seuls 70% des marchandises transportées aux États-Unis, ce qui rend la logistique de suivi telle que les réparations, les remplacements et la maintenance programmée d'autant plus importante pour éviter un mauvais fonctionnement de la flotte. En règle générale, l'infrastructure cellulaire est utilisée pour des applications qui transcendent les frontières de l'usine. Cependant, dans le cas d'équipements localisés tels que l'exploitation d'équipements lourds dans une mine, les LPWAN peuvent être envisagés.La télématique de flotte peut communiquer avec des infrastructures 2G, 3G et 4G ou des alternatives cellulaires spécifiques à l'IoT telles que NB-IoT ou LTE-M1. Les nœuds de capteurs peuvent être constitués de modules GPS, de gyroscopes, de capteurs de niveau et d'accéléromètres. Là où le GPS fournit des données de localisation, l'accéléromètre offre l'orientation du véhicule et le capteur de niveau mesure le carburant en temps réel. Des systèmes plus complexes sont également utilisés pour la gestion de flotte; Des camions miniers autonomes sont en service depuis 2008, équipés de plus de 200 capteurs, d'un récepteur GPS et d'un système de guidage radar.2Résumé Un ensemble de capteurs et de protocoles de communication peut desservir les réseaux industriels en fonction du niveau de fiabilité, de latence et de flexibilité requis. Les applications de surveillance de processus et de santé et sécurité nécessitent souvent des communications en temps réel avec des protocoles basés sur IEEE 802.15.4 (par exemple ISA100.11a, WirelessHART), tandis que certaines applications de surveillance d'actifs peuvent bénéficier de la longue portée offerte par les applications LPWAN. les applications de suivi ont des systèmes de localisation spécifiques avec des algorithmes basés sur ToA ou RSSI pour plus de précision. Les systèmes de gestion de flotte, en revanche, peuvent s'appuyer sur le GPS pour les données de localisation, mais doivent transférer toutes les données des capteurs vers un point centralisé via l'une ou l'autre liaison cellulaire. Ils peuvent même bénéficier du LPWAN si la flotte est basée dans une zone géographique restrictive. Tinu Oza est le chef de produit IoT chez L-com.References1. 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