Langaton tiedonsiirto tehdasautomaatiossa Järjestelmätason tekniikat Smart Systems 2007 Reino Virrankoski 7.6.2007 reino.virrankoski@tkk.fi

Järjestelmätason näkökulma Jos yksittäinen tai muutama kaapeloitu yhteys korvataan langattomalla, on asetelma vielä yksinkertainen. Kaapeloinnin määrä (kertaluokkaa) 1 10 100 1 000 10 000 100 000 Tehtaan intranet (tai Internet) Control network Kenttäväylät Koneet ja toimilaitteet Tyypilisessä tehtaan automaatiojärjestelmässä arkkitehtuuri on kuitenkin huomattavasti monimutkaisempi. Langattoman kokonaisjärjestelmän hallintaan liittyvät haasteet

Toimintavaatimuksia 1/2 Luotettavuus Järjestelmän on automaattisesti alustettava itsensä toimintakuntoon Järjestelmän on tunnistettava vikatilanteet ja kyettävä niin usein kun mahdollista toipumaan niistä automaattisesti Yksittäisen anturinoodin tai vastaavan toimilaitteen vikaantuinen ei saa kaataa koko järjestelmän tai edes sen merkittävän osa-alueen toimintaa Reaaliaikaisuus Langattomasta tietoliikenteestä aiheuttavat viiveet on pystyttävä kompensoimaan Aikakriittisissä sovelluksissa on pystyttävä toteuttamaan ajan synkronointi toimilaitteissa

Toimintavaatimuksia 2/2 Tehokas mittausdatan käsittely Mittausdatasta on löydettävä nopeasti oleellinen tieto Datan prosessoinnista ei saa aiheutua automaatiojärjestelmän toimintaa haittaavaa viivettä (vrt. reaaliaikaisuus) Datankäsittelyssä on tunnistettava mittausvirheet (outlayers) sekä pystyttävä kompensoimaan puuttuvaa dataa Pitkä huoltoväli Useimmiten tehdas on käytössä 24h vuorokaudessa, joten ei ole mahdolista että langattomien anturien ja toimilaitteiden virtalähteitä vaihdettaisiin kovin usein Tulisi suosia ratkaisuja, joissa anturit ja toimilaitteet saavat tarvitsemansa energian ympäristöstään Energiankulutuksen minimoiminen on langattomissa anturiverkoissa keskeinen haaste

Heterogeeninen järjestelmä Erilaisiin langattoman tietoliikenteen tarpeisiin erilaiset kommunikaatioprotokollat – huolehdittava samanaikaisen käytön toimivuudesta. Intranet Internet GSM / 3G IEEE 802.11 (WI-FI, ~50-100m) Bluetooth (~10-20m) IEEE 802.15.4 (ZigBee, ~10-20m) RFID (~0-1m)

Kommunikaatioprotokollia Bluetooth Tarkoitettu etupäässä yksittäisten kaapelien korvaamiseen Ainoastaan tähtitopologia mahdollinen Tehonkulutus ZigBee:hen verrattuna suuri 801.11 (Wi-Fi) Langattomat paikallisverkot (WLAN) Vaatii anturinoodia tehokkaamman toimilaitteen (esim. kannettavat tietokoneet) 802.15.4 (ZigBee) Pieni tehonkulutus Lyhyt kantama, mutta tukee multihop-rakennetta RFID Tavallisimmin hyvin pienillä etäisyyksillä (0-1m) RFID-tagi ei tarvitse omaa teholähdettä, mutta tagin lukulaite tarvitsee Lähitulevaisuudessa myös Ultra Wide Band (UWB) 802.16 (WiMAX) Wibree: communication between small button-cell devices and Bluetooth devices

WLAN & WPAN toimivat molemmat samalla taajuusalueella (2.4 GHz ISM) Yhteiskäyttö: 802.11 ja 802.15.4 IEEE802.11 WLAN- ja IEEE802.15.4 WPAN –verkkojen yhtäaikainen käyttö samalla 2.4 GHz Industrial Scientific and Medical (ISM) -taajuusalueella on ongelmallista WLAN & WPAN toimivat molemmat samalla taajuusalueella (2.4 GHz ISM) ? Interferenssi häiritsee vakavasti varsinkin WPAN-verkon toimintaa, jos toimilaitteet sijaitsevat lähellä toisiaan WLAN-interferenssiä täytyy välttää, jotta päästään haluttuun signaalin laatuun

Anturinoodit (Sensor Nodes / Sensor Motes) Langattoman anturiverkon ”rakennuspalikoita” Anturinoodiin kuuluu Radio Teholähde (patteri, aurinkokenno tms.) Mikroprosessori / mikrokontrolleri Flash ja SRAM muistit Yksi tai useampia antureita, sekä valmius (sarjaportti, USB tms.) liittää niitä lisää XYZ Sensor Node by Embedded Networks and Applications Laboratory at Yale University

Anturinoodit Muutamia hiljattain kehitettyjä anturinoodeja:

Järjestelmän automaattinen konfigurointi ja vikasietoisuus Koska antureita on isossa järjestelmässä satoja tai tuhansia, sen tulee paikalle asennuksen jälkeen alustaa itsensä toimintavalmiiksi ja sopeutua mahdollisiin myöhempiin muutoksiin automaattisesti Taajuuksien allokointi s.e. interfrenssi pyritään minimoimaan Verkko-osoitteiden asettaminen Reititys anturinoodien välillä sekä noodien ja toimilaitteiden välillä Klusterointi, mikäli käytetään hierarkista rakennetta Anturinoodien paikantaminen, mikäli järjestelmä ei ole sen tyyppinen että muuten kävisi ilmi mikä mittaustieto tulee mistäkin Adaptiivisuus ja vikasietoisuus: järjestelmän tulee automaattisesti päivittää tilansa, jos verkkoon tulee uusia toimilaitteita, siitä poistuu vanhoja tai jos joidenkin toimilaitteiden paikkaa muutetaan Järjestelmän tulee antaa virheilmoitus, jos siinä esiintyy ongelma jota se ei pysty automaattiesti korjaamaan, sekä tarvittaessa silloin ajaa prosessi pysähdyksiin vahinkojen välttämiseksi

Mittausdatan käsittely Kuva: Deepak Ganesan

Mittausdatan käsittely Datakompressio: Tarpeettoman toiston suodatus mahdollisimman alhaisella tasolla Vähentää tietoliikennekuormaa Nopeuttaa myöhempää datan prosessointia Vaatii kokonaan tai osoittain hajautettua laskentaa Datafuusio: Eri lähteistä mitatun datan yhdistäminen haluttujen ilmiöiden tunistamiseksi Vaatii kokonaan tai osoittain keskitettyä laskentaa datan keräämisen jälkeen Asynkroninen mittaustaajuus Eri mittaustaajuus verkon eri osissa Eri mittaustaajuus eri tilanteissa: jos tapahtuu jotain säädön kannalta oleellista, mitataan tiheämmin, muuten harvemmin Mahdollistaa energiansäästöä sekä verkon tietoliikennekuorman tasapainottamista Vaatii kokonaan tai osoittain hajautetuja algoritmeja, jotka säätävät näytteenottotaajuutta mitatun datan (säkä mahdollisesti ylemmältä tasolta tulevien komentojen) perusteella Mittausdatan varastointi:kerätäänkö kaikki keskitettyyn tietokantaan vai puskuroidaanko jotain verkkoon ja haetaan vain tarvittaessa Virheellisten mittausten tunnistaminen sekä puuttuvien mittausten estimointi

Reititys Multihop-verkossa järjestelmän tulee automaattisesti etsiä lyhimmät reitit anturinoodien välillä sekä päivittää reittejä jos verkoon tulee uusia noodeja, vanhoja poistuu tai noodit liikkuvat Lyhimpien reittien tuntemisen ohella reititysalgoritmin tulee tasapainottaa tietoliikennekuormaa verkon eri osissa siten että energiankulutus jakautuisi mahdollisimman tasaisesti anturinoodien kesken Mikäli verkossa on energiaresursseiltaan erilaisia noodeja tai toimilaitteita, tulee niitä pääsääntöisesti kuormittaa käytettävissä olevien resurssien suhteessa

Muita järjestelmänhallintaan liittyviä tehtäviä Tietoliikennekuorman ja energiankulutuksen minimointi Laskennan jakaminen keskitettyyn, osittain hajautetuun (klusteritasolla) ja täysin hajautettuun (anturinooditasolla) Keskitetty laskenta on helpompi toteuttaa, mutta se lisää verkon tietoliikennekuormaa Liikkuvuudenhallinta, mikäli järjestelmään kuuluu liikkuvia anturinoodeja tai toimilaitteita Tietoturva

Sovellusesimerkkejä

Esimerkki 1: Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA) in Industrial Applications ABB’s concept for wireless automation Wireless real-time communication (WISA-COM) Wireless power supply (WISA-POWER) Gear assembly – one of many industrial applications in which large numbers of proximity switches are used

ESIMERKKI 1 Cables vs. Wireless Same device with cabeled and wireless control system

WISA-COM: Technical Information ESIMERKKI 1 WISA-COM: Technical Information Wireless communication 2.4 GHz Industrial, Scientific and Medical (ISM) band Physical layer of IEEE 802.15.1 with some enhancements Time division multiple access with frequency division duplex and frequency hopping (TDMA/ FDD/ FH) Full duplex Deterministic Support for up to 120 devices

WISA-COM: Technical Information ESIMERKKI 1 WISA-COM: Technical Information Latencies and data rates compared to other protocols Latency vs. data rate of different communication systems at higher node densities

ESIMERKKI 1 WISA-COM - Topology Each input collects data from the sensor in ‘its’ area and transfers it via a fieldbus (FB) to the machine controller (PLC).

ESIMERKKI 1 WISA-POWER “Wireless Power Supply” Uses electromagnetic coupling and magnetic fields (~120 kHz) Typical power value: 10 mW…100 mW Typical application 6*6*3 m A Power supply (A) feeds primary loop (B) with an alternating current at 120 kHz. Sensors (C) within the primary loop are equipped with secondary coils.

Communication Module Electronics ESIMERKKI 1 Communication Module Electronics Omni-directional receiver coil for the power supply => constant power output regardless of orientation Radio transceiver Antenna

Wireless Proximity Switch ESIMERKKI 1 Wireless Proximity Switch Communication Module Inductive sensor

WISA devices installed in a typical robot type production cell (27 m3) ESIMERKKI 1 WISA devices installed in a typical robot type production cell (27 m3)

ESIMERKKI 1 References: Steigmann, Richard (ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Germany), Endresen Jan (ABB Corporate Research, Norway), Introduction to WISA – WISA Wireless Interface for Sensors and Actuators, V2.0 July 2006 (http://www.abb.com/) Apneseth, Christoffer, Dzung Dacfey, Kjesbu Snorre, Scheible Guntram, Zimmermann Wolfgang, Wireless - Introducing wireless proximity switches, ABB Review 4/2002 (http://www.abb.com/) Vikström Peter, Wireless Interface for Sensors and Actuators (WISA) in Industrial Applications, seminar presentation in the course AUTO3260, University of Vaasa, December 13, 2006.

Esimerkki 2: Aquaculture Initial deployment in New Haven Sound High School by Embedded Networks and Applications Laboratory at Yale University Large user community: 320 students Phase 1: monitor machine status, fish tanks and algae production (acceleration, temperature, DO, pH) Phase 2: Camera base localization and tracking of equipment in the facility Phase 3: Floatable sensors that create concentration maps and monitor habitat usage

Esim. 3: Datafuusio- ja vikadiagnostiikkamenetelmien kehittäminen sääasemaverkoissa (DADA) ESIMERKKI 3 Vikadiagnostiikka- ja datafuusioalgoritmeja tiheille sääasemaverkoille Helsinki Testbedin mittausten pohjalta diagnostiikka-algoritmien kehitys konvektiivisille rajuilmoille eri havaintolähteiden suureiden datafuusio (esim. pintasääasemat, sadetutkat) sääasemien virhetilanteiden tunnistus sääasemien virhetilanteiden luokittelu, eliniän arviointi ja huoltotarpeen määrittely huoltostrategian suunnittelu Kesto: 2005–2006 Partnerit: TKK Systeemitekniikka, Ilmatieteen laitos, Vaisala, Tekes

Datafuusio- ja vikadiagnostiikkamenetelmien kehittäminen sääasemaverkoissa (DADA) ESIMERKKI 3 Laaja konvektiosolu pääkaupunkiseudun yläpuolella 9.8.2005 klo 16.30 ja vastaavat Sateen intensiteetti, tuulen vektorivarianssi, lämpötilan varianssi ja lokaalin paineen varianssi Helsingin Vallilan pintasääasemalta (nro. 40).

Estimointivirheen tarkastelu ESIMERKKI 3 Estimointivirheen tarkastelu Mallina rekursiivisesti päivitettävä aikasarjamalli mallinnetaan uutta mittausta n edellisen mittauksen perusteella, tässä yleensä n = 3 Estimointi Kalman-suodattimen avulla bonus: datan esikäsittely, puuttuvien mittausten estimointi ja vikadiagnostiikka samassa paketissa Vikadiagnostiikassa vertaillaan virheresiduaalin suuruutta hälytysrajoihin hälytysrajana 3 kertaa keskihajonta

Esimerkki 4: A Trolley Crane System Implementation of wireless sensor network based measurement system for the trolley crane Calculation of the load angle based on ultrasound and radio Centralized control Comparison to wired system

United Arab Emirates, 12 - 15 February, 2007. ESIMERKKI 4 A Trolley Crane System Wireless measurement system for the load angle Ultrasound+radio 8 receivers 1 control node -> RTOS Filtering of trolley rope angle Linear Kalman filter Extended KF Detection of faulty measurements Calibration bias detection Potentiometer calibration checked with ultrasound system Automatic recalibration M. Pohjola, L. Eriksson, K. Torkkeli. Filtering and fault detection schemes for a trolley crane system, Accepted for publication in International Symposium on Signal Processing and its Applications, Sharjah, United Arab Emirates, 12 - 15 February, 2007.