Studie en ontwerp van een draadloos sensornetwerk

Studie en ontwerp van een draadloos sensornetwerk Mathijs Van Bavel

Promotoren: prof. ir. Jan Beyens, dhr. Jan Stevens Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Industriële Technologie en Constructie Voorzitter: prof. Marc Vanhaelst Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014

De auteur geeft de toelating deze scriptie voor raadpleging beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichte bronvermelding bij het gebruiken of aanhalen van teksten of resultaten uit deze scriptie.

Woord vooraf Het maken van een masterproef ter afsluiting van mijn opleiding was een ideale gelegenheid om mij volledig te ontplooien en enorm veel bij te leren over de praktische kant van de industriële realiteit. Ikzelf ben tevreden met het eindresultaat. Deze scriptie is het product van een jaar lang focus, initiatief nemen en hard werken. Deze masterproef is tot stand gekomen dankzij de samenwerking met vele mensen. Op Total viel mij de spontane hulpvaardigheid op waarmee ik telkens geholpen werd. Ik wil dan ook de mensen van de diensten elektrisch onderhoud, preventief onderhoud en instrumentatie bedanken. De bedrijven Emerson en Bently Nevada verdienen ook een woord van dank voor het beschikbaar stellen van mensen en materiaal om het praktisch deel van deze masterproef te ondersteunen. Speciale dank gaat uit naar mijn promotoren. Professor ir. Jan Beyens heeft een cruciale rol gespeeld in het tot stand komen van deze scriptie door zijn goede raad, zijn bijsturing waar nodig en zijn blijvend geloof in mijn kunnen. Jan Stevens, hoofd van de dienst elektrisch onderhoud, heeft mij van helemaal in het begin de geweldige kans geboden om mijn onderzoek op Total Raffinaderij Antwerpen uit te voeren. Hij heeft mij wegwijs gemaakt in de wereld van de procesindustrie en heeft mij op elk punt van dit project positief ondersteund.

Mathijs Van Bavel Gent, juni 2014

Abstract Deze masterproef is een vergelijkende studie tussen verschillende standaarden voor draadloze sensornetwerken, specifiek toegepast op Total Raffinaderij Antwerpen. De doelstelling was om de mensen van Total een duidelijk overzicht te geven van de mogelijke draadloze systemen, met aanbevelingen voor de raffinaderij. Dit onderzoek was initieel vertrokken met de bedoeling om een draadloze aanvulling te vinden voor de monitoring van machines. Conclusies zijn er dus zowel voor de monitoring als voor algemene instrumentatie. Met een theoretische studie werden een aantal mogelijkheden afgewogen, waarna er nog twee bruikbare standaarden overbleven voor verder onderzoek: WirelessHART en ISA100. Praktisch onderzoek bestond uit een testopstelling, presentaties en demonstraties van draadloze apparatuur. De eindconclusies zijn gemaakt op basis van theoretische en praktische afwegingen. Beide standaarden kunnen betrouwbaar werken in een raffinaderij-omgeving. Het signaal kan obstakels passeren door reflectie en meshnetwerking; afstanden tot 250m kunnen met vrije zichtlijn zeker overbrugd worden. ISA100 is het meest geschikt voor monitoring-toepassingen omdat data van trillingsmetingen hiermee efficiënter verzonden kunnen worden. Ook werkt dit systeem makkelijker samen met de methodes die momenteel gebruikt worden op Total. Voor algemene instrumentatie is op dit moment een WirelessHART-netwerk geschikter omdat er meer specifieke applicaties aangeboden worden, vooral door de fabrikant Emerson. ISA100 biedt wel meer mogelijkheden op lange termijn. Netwerken op deze standaard gebaseerd kunnen uitgebreider en flexibeler zijn. Ook kunnen hiermee op termijn meer kritische toepassingen geïmplementeerd kunnen worden.

This thesis is a comparative study between different standards for wireless sensor networks, applied to Total Refinery Antwerp. The goal was to give Total a clear overview of the possible wireless systems, with recommendations for the refinery. This research started initially with the goal of finding a wireless complement for machine monitoring. Conclusions are made for monitoring and for general instrumentation. With a theoretical study, several possibilities were considered, after which only two standards remained for further research: WirelessHART and ISA100. Practical research consisted of a testing setup, presentations and demonstrations of wireless solutions. Final conclusions are made based on this theoretical and practical research. Both standards can work reliably in a refinery environment. The signal can pass obstacles through reflections and mesh networking; distances up to 250m can be covered with a clear line of sight. ISA100 is the most suitable for monitoring applications because vibration measurement data can be transported more efficiently with this standard. For general instrumentation WirelessHART is more suited at this moment because more specific applications are available using this standard, especially with manufacturer Emerson. ISA100 does offer more possibilities on a long term scale. Networks based on this standard can be more extensive and flexible. This also offers more possibilities for critical applications in the future.

Inhoudsopgave Woord vooraf

2

Abstract

3

Inhoudsopgave

4

Lijst met gebruikte afkortingen

7

Inleiding

8

Hoofdstuk 1: Monitoring op Total Raffinaderij Antwerpen

9

1.1 Algemeen

9

1.2 Trillingsmetingen

9

1.3 Andere metingen

11

1.3.1 Ultrasoon

11

1.3.2 Olie-analyses

11

1.3.3 Infrarood

11

1.4 Mogelijke aanvullingen: draadloze communicatie

11

Hoofdstuk 2: Theoretische achtergrond netwerkstandaarden

14

2.1 OSI-referentiemodel

14

2.1.1 Inleiding

14

2.1.2 Fysische laag

15

2.1.3 Datalink laag

15

2.1.4 Netwerklaag

15

2.1.5 Transportlaag

15

2.1.6 Sessielaag

16

2.1.7 Presentatielaag

16

2.1.8 Applicatielaag

16

2.2 IEEE Standaard 802.15.4

16

2.2.1 PHY-laag

16

2.2.2 Datalink laag

17 4

2.2.3 MAC-laag 2.3 WirelessHART

17 20

2.3.1 PHY-laag

21

2.3.2 Datalink laag

21

2.3.3 Netwerk laag

23

2.3.4 Hogere lagen

23

2.4 ISA100

24

2.4.1 PHY laag

24

2.4.2 Datalink laag

24

2.4.3 Netwerklaag

25

2.4.4 Hogere lagen

26

2.5 ZigBee en ZigBee Pro

26

2.6 IETF 6LowPAN

26

2.7 Bluetooth en Bluetooth low energy

26

2.8 ultra-wideband (UWB)

26

2.9 OCARI

27

Hoofdstuk 3: Verslag draadloze testopstelling op NC3

28

3.1 Inleiding

28

3.2 Doelstellingen

32

3.3 Opstelling 1

33

3.4 Opstelling 2

36

3.5 Opstelling 3

40

3.6 Opstelling 4

46

3.7 Resultaten

50

Hoofdstuk 4: Presentatie en demonstratie Emerson

54

4.1 Inleiding

54

4.2 Doelstellingen

54 5

4.3 Overzicht presentaties

55

4.3.1 Algemene presentatie: visie van Emerson op wireless communicatie

55

4.3.2 Presentatie wireless bij Emerson apparatuur: voorstelling THUM

56

4.3.3 Presentatie: nieuwe devices opnemen in het netwerk

57

4.4 Overzicht demonstraties

58

4.4.1 Valve positioner met THUM

58

4.4.2 Coriolismeting met THUM en Meter Verification

59

4.4.3 Trillingsmeting

61

4.4.4 Toepassingsvoorbeelden

67

4.5 Resultaten en conclusies

68

Hoofdstuk 5: Vergelijking standaarden

69

5.1 Overzicht fabrikanten

69

5.1.1 WirelessHART

69

5.1.2 ISA100

70

5.2 Afweging korte en lange termijn

72

5.3 Conclusies

73

5.4 Verdere mogelijkheden onderzoek

75

Lijst met figuren en tabellen

76

Bronnen (referentielijst)

78

Geraadpleegde literatuur

79

6

Lijst met gebruikte afkortingen 6LoWPAN: IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks BBR: Backbone Router CAP: Contention Access Period CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance CTS: Clear To Send DCS: Distributed Control System DLL: datalink laag FFD: Full Function Device GTS: Guarantied Time Slots HART: Highway Addressable Remote Transducer Protocol HF: fluorwaterstofzuur ISA: International Society of Automation LLC: Logical Link Control MAC: Medium Acces Control OCARI: Optimization of Communication for Ad hoc Reliable Industrial networks OSI: Open Systems Interconnection PAN-coördinator: Personal Area Network coördinator PHY-laag: fysische lag RDF: Reduced Function Device RPM: toerental RTS: Request To Send Std: standaard TDMA: Time Division Multiple Access TRA: Total Raffinaderij Antwerpen

7

Inleiding Deze masterproef is in augustus 2013 begonnen met mijn stage op Total Raffinaderij Antwerpen. Mijn initiële opdracht was kijken wat er verbeterd kon worden aan de machinemonitoring. Door tijdens mijn stage op de raffinaderij met verschillende mensen te praten en mij te verdiepen in hun manier van werken en denken, zag ik in dat het draadloos doorsturen van monitoring-data een nuttige aanvulling zou kunnen zijn. Dit bepaalde dat mijn masterproef een vergelijkende studie werd tussen verschillende netwerkstandaarden. Hiervoor was een combinatie nodig van theoretische studie en praktische testen. Mijn onderzoek naar draadloze sensornetwerken pak ik aan vanuit de invalshoek van de machinemonitoring. Sensornetwerken kunnen het volledige spectrum van bestaande instrumentatie bevatten, maar omdat mijn opdracht hiermee begonnen is, houd ik de monitoring het meest in mijn achterhoofd tijdens deze masterproef. Deze scriptie begint met een korte schetsing van de huidige machinemonitoring op Total en waar draadloze toepassingen hierin een bijdrage kunnen leveren. Voor het theoretisch onderzoek naar mogelijke systemen heb ik mij verdiept in de mogelijke netwerkstandaarden die gebruikt worden voor draadloze communicatie in een industriële omgeving. Op basis van een aantal belangrijke criteria, blijven er al snel slechts twee standaarden over: WirelessHART en ISA100. Deze twee worden verder theoretisch beschreven om dieper inzicht te krijgen in hun werking en onderlinge verschillen. Om praktisch inzicht te krijgen in deze systemen, heb ik contact opgenomen met twee leveranciers van draadloze apparatuur: Emerson (WirelessHART) en Bently Nevada (ISA100). Deze leveranciers zijn gekozen om deze masterproef te ondersteunen omdat ze beiden een transmitter aanbieden die trillingsmetingen kan verzenden, wat past in de monitoring-gerichte aanpak. Met het systeem van Bently Nevada heb ik, met ondersteuning van een aantal mensen van Total, een testopstelling geplaatst in de zone NC3 van de raffinaderij. Dit om meer vertrouwd te raken met de praktische werking van dit soort draadloze communicatie en om de limieten van dit systeem op te zoeken. Met de apparatuur van Emerson was een tweede testopstelling niet meer nodig. Efficiënter was een bezoek aan hun afdeling in Diegem, waar een aantal van hun mensen presentaties en demonstraties gaven. Het doel van dit bezoek was inzicht te krijgen in het aanbod van applicaties van Emerson. Ook wilde ik door deze presentaties en demonstraties (gecombineerd met de kennis van de testopstelling) een duidelijker beeld krijgen van de praktische verschillen tussen ISA100 en WirelessHART. Door het theoretisch opzoekwerk en het praktisch bekijken van de mogelijke appratuur, kom ik uiteindelijk tot een aantal afgelijnde conclusies over draadloze sensornetwerken. De voor- en nadelen van ISA100 en WirelessHART worden tegen elkaar afgewogen en adviezen worden gegeven om op Total een draadloze strategie te plannen.

8

Hoofdstuk 1: Monitoring op Total Raffinaderij Antwerpen 1.1 Algemeen Op Total is de dienst preventief onderhoud verantwoordelijk voor de monitoring van de machines. Ze trachten door metingen aan predictief onderhoud te doen: fouten opsporen voor ze zich uitbreiden en tot uitval van een machine leiden. Hiervoor hebben ze een aantal meetprincipes ter beschikking: trillingsmetingen, ultrasone metingen, olie-analyses en infraroodmetingen. Trillingsmetingen worden zowel continu als periodiek uitgevoerd, de laatste 3 meetprincipes worden enkel periodiek gedaan. De continue trillings- en temperatuurmetingen gebeuren op de grootste en meest kritische machines. Periodieke metingen gebeuren op alle machines. Afhankelijk van de kriticiteit van de machine wordt het interval bepaald waarmee de metingen gebeuren. Alle draaiende machines worden minstens om de 3 maanden gecontroleerd.

1.2 Trillingsmetingen Alle draaiende machines produceren trillingen, geen enkel onderdeel is immers perfect. Wanneer er fouten ontstaan in een machine, zal dit een bepaald trillingspatroon tot gevolg hebben. Door trillingsmetingen uit te voeren kan de oorzaak, ernst en vaak ook locatie van het probleem worden vastgesteld, waarna eventueel onderhoud gepland kan worden. Trillingsmetingen worden bij de meeste machines uitgevoerd met een mobiele datacollector voorzien van een opnemer die de versnelling van de machine detecteert. Deze data wordt opgeslagen onder de vorm van een waveform, de volledige golfvorm die de verschillende trillingen veroorzaken. Deze data wordt meestal op 3 verschillende manieren bekeken: - de overall-waarde: De gemiddelde waarde geeft zeer snel een idee over de hevigheid van de trillingen in de machine. Alle resultaten worden bijgehouden, zodat evolutie hierin kan gezien worden. - het spectrum: De fouriergetransformeerde van de waveform geeft een duidelijk beeld van de intensiteit van de trillingen op bepaalde frequenties. Bepaalde fouten kunnen rechtstreeks aan een bepaalde frequentie worden gelinkt. - de waveform: De waveform zelf kan ook geanalyseerd worden. De vorm van de trillingen kan naast de frequentie ook informatie geven over de fout. Een plotse sprong bijvoorbeeld, wijst op een botsing.

9

figuur 1.1: data trillingsmeting (www.monition.com) Fouten die harmonischen van het toerental genereren: - onbalans: 1 x RPM - uitlijningsfouten: 1 en 2 x RPM - speling losheid: veel harmonischen van het toerental Fouten die andere frequenties genereren: - lagerschade: Frequenties en harmonischen die hier gegenereerd worden zijn eigen aan bepaalde constructieve eigenschappen van het lager (bijvoorbeeld aantal rolelementen, diameter van binnenring…). Hierdoor kan bij het bemerken van een bepaald frequentiepatroon de fout precies bepaald worden. - elektrische problemen: te merken door een piek in 2 x de netfrequentie - cavitatie: Dit heeft een verhoging van gans het spectrum tot gevolg tussen 30000 en 60000 RPM. - wrijving: Dit verhoogt het spectrum over heel het frequentiebereik. Fouten die niet vaak voorkomen: - resonantie - tandwielschade - ontwerpfouten Voor de meeste machines worden versnellingsopnemers gebruikt. Verplaatsingsopnemers worden ook gebruikt, maar enkel op de grote turbines om glijlagers te bewaken. De bespreking hiervan gaat buiten het bestek van dit werk.

10

1.3 Andere metingen Deze metingen worden korter besproken, mits draadloze toepassingen hiervan niet veel kunnen bijdragen. 1.3.1 Ultrasoon De techniekers die controlerondes doen, voeren meestal eerst een ultrasone meting uit. Dit gebeurt met een toestel dat trillingen in het ultrasone gebied omzet in hoorbare geluidsgolven. Op die manier kunnen deze mensen, die een uiterst getraind oor hebben, al een eerste diagnose doen over eventuele schade die optreedt. Dit kan zeer snel en eenvoudig gebeuren en is vaak een leidraad voor verdere metingen. Deze meting kan een indicatie geven over: - lagerschade - lekken in leidingen - vloeistofversnellingen in leidingen - fouten bij compressorkleppen - teveel wrijving die optreedt - fouten bij condensaatpotten - slecht werkende koppelingen - de locatie van een bepaald hoorbaar geluid 1.3.2 Olie-analyses Oliestalen die bij een machine genomen worden, kunnen ook veel informatie leveren over de toestand van die machine. Deze stalen worden genomen op stoomturbines, compressoren, grote reductiekasten en enkele ventilatoren. Een gedetailleerde beschrijving van deze metingen zou buiten het bestek van dit werk gaan. 1.3.3 Infrarood Er worden waar nodig ook metingen uitgevoerd met de infraroodcamera. Op deze manier kan warmteopbouw gevonden worden op een zeer snelle manier. Infraroodmetingen kunnen geen exacte temperatuur meten, maar worden gebruikt om temperatuurverschillen in kaart te brengen. Interpretatie hiervan door iemand met kennis en ervaring, kan snel tot conclusies leiden over mogelijk optredende fouten. Deze metingen beperken zich uiteraard niet tot machines, maar worden voor een breed gamma aan toepassingen gebruikt (leidingen, ovens, elektrische installaties…).

1.4 Mogelijke aanvullingen: draadloze communicatie De monitoring van de machines gebeurt momenteel door mensen van de dienst preventief onderhoud die controlerondes uitvoeren met hun apparatuur en later de meetresultaten verwerken. De belangrijkste machines worden permanent bewaakt en uitgebreide trillingsmetingen hiervan worden continu opgenomen en ter plaatse verwerkt met apparatuur van Bently Nevada.

11

Alle elektrische motoren hebben temperatuurbewaking op de lagers. Als deze temperatuur te hoog oploopt, zal de machine uitvallen. Op de eenheden zijn veel van deze temperatuurmetingen verbonden met DCS waardoor er vooralarmen gegenereerd kunnen worden waarop de mensen van preventief onderhoud kunnen reageren. Dit is geen waterdicht systeem omdat een motor op korte tijd kan falen. Hiermee zijn echter vele schadegevallen te voorkomen. In het tankpark worden de motoren op deze manier enkel lokaal bewaakt. Er is geen enkele terugmelding van deze metingen, waardoor machines plots kunnen uitvallen zonder dat er melding van is en zonder opgeslagen temperatuurgegevens die een indicatie van het probleem kunnen geven. Dit is niet voorzien omdat de afstanden in het tankpark groot zijn en extra bekabeling teveel werk en geld vergt. Een verbetering is mogelijk wanneer de monitoring-data uit het tankpark draadloos doorgestuurd zou worden. Dit kan voor de lagertemperaturen, maar ook voor extra trillingsmetingen. Als de draadloze infrastructuur aanwezig zou zijn, is het geen grote meerkost om op grotere machines in het tankpark trillingsmetingen te plaatsen die ook doorgestuurd kunnen worden. Niet enkel in het tankpark, maar ook op de productie-eenheden is het installeren van draadloze apparatuur goedkoper dan extra bedrading leggen. Voor monitoring kunnen draadloze temperatuur- en trillingsmetingen nuttig zijn op gevaarlijke eenheden (ik denk hierbij specifiek aan eenheid 69, waar extra gevaar is voor HF). Op die manier wordt tijd uitgespaard bij het verzamelen van meetgegevens en wordt de veiligheid bevorderd. Ook kan de frequentie van de periodieke metingen opgevoerd worden. Een interessante mogelijke toepassing van draadloze communicatie is een mobiele versie van de Bently Nevada apparatuur die momenteel gebruikt wordt bij grote machines. Hierbij worden waveforms zeer frequent opgenomen vanaf het moment dat er een verandering in de overall-waarde wordt bemerkt. Als een draadloze meting geplaatst kan worden bij een machine die deze functionaliteit heeft, kan dit zeer nuttig zijn bij indienstname. Machines falen statistisch gezien namelijk het meest frequent vlak na indienstname (door een fout bij de constructie, revisie of installatie) of na een zeer lange periode (door slijtage aan de machine of aan het lager). Op het eerste type falen kan dan ingespeeld worden door mobiele trillingsmetingen een aantal dagen tot weken te laten staan bij een machine die in dienst gesteld word. Als er een fout optreedt, kan falen voorkomen worden of als de machine toch faalt, kan de oorzaak gevonden worden. Eens een draadloos netwerk in gebruik is, wordt het gemakkelijker om nieuwe metingen draadloos uit te voeren. Dit hoeft niet beperkt te blijven tot monitoring, maar kan over heel de instumentatie uitgebreid worden.

12

Op Total toont men interesse voor draadloze toepassingen, maar is men terughoudend omwille van een aantal redenen. - Men weet niet hoever de draadloze technologie staat en welke toepassingen mogelijk zijn (interesse hiervoor is er wel). - Niemand weet welke mogelijkheid en welke leverancier de beste is. Geweten is dat er een aantal standaarden zijn, maar niet of ze kunnen samenwerken. - Men is bang van wildgroei: eens een netwerk in dienst is, kan iedereen draadloze metingen plaatsen en in het netwerk opnemen. De mensen van Total willen voorkomen dat draadloze communicatie gebruikt wordt voor kritische toepassingen. Voor draadloze communicatie bij niet-kritische metingen staat men wel open. Het is duidelijk dat verder onderzoek over draadloze sensornetwerken nodig is en een nuttige bijdrage kan leveren bij Total. Zowel monitoring-toepassingen (hierbij denkend aan periodieke metingen en aan het frequent opnemen van trillingsdata) als algemene instrumentatie moeten in het achterhoofd gehouden worden. Het is immers wenselijk dat al deze communicatie via hetzelfde systeem kan verlopen.

13

Hoofdstuk 2: Theoretische achtergrond netwerkstandaarden In dit hoofdstuk zullen een aantal netwerkstandaarden op theoretisch niveau bekeken worden. In het bijzonder wordt er ingegaan op WirelessHART en ISA100. Andere standaarden worden korter bekeken omdat ze op basis van bepaalde eigenschappen uitgesloten worden voor verder onderzoek. Niet alle details worden besproken, vooral de algemene werking en de punten waarin ze functioneel verschillen komen aan bod. Deze theoretische beschouwing dient als een leidraad en een onderbouwing voor de latere praktische studie en uiteindelijke eindconclusie. Voor mogelijke draadloze systemen kijk ik enkel naar gestandaardiseerde oplossingen. Deze hebben het voordeel dat industriële gebruikers kunnen kiezen tussen verschillende leveranciers, zonder dat de garantie op interoperabiliteit verloren gaat. Daarenboven zijn er bij een gestandaardiseerd systeem meer garanties op blijvende ondersteuning in de toekomst (bijvoorbeeld voor wisselstukken). Om draadloze netwerken op theoretisch niveau te begrijpen moet men eerst de structuur kennen die wordt gebruikt bij het beschrijven van industriële communicatiesystemen. Deze structuur bestaat voornamelijk uit het OSI model (open systems interconnection).

2.1 OSI-referentiemodel 2.1.1 Inleiding

figuur 2.1: OSI-model (www.electronicdesign.com) Het OSI-model geeft een abstracte omschrijving van het communicatiesysteem en zijn functionaliteiten, onafhankelijk van hardware of software. Deze omschrijving bestaat uit een aantal hiërarchische lagen. Elke laag is verantwoordelijk voor een aantal functies die vaak concreet worden vertaald naar headers die aan de communicatie worden toegevoegd. De netwerklaag bijvoorbeeld, zal een systeem van adressering laten voorafgaan aan de eigenlijke boodschap. Algemeen zorgt de toegevoegde informatie in hoofdzaak voor de route over het fysisch communicatiemedium, de volgordelijkheid en de foutcorrectie. 14

Het doel van dit model is om de complexe set van functies en afspraken die een communicatiesysteem vormen, vast te leggen in logisch gestructureerde groepen. Dit helpt fabrikanten om interoperabiliteit te bereiken, dit betekent dat producten van verschillende fabrikanten zonder aanpassingen samen kunnen werken. Dit levert zowel voor hen als voor de eindgebruiker voordeel op. Eindgebruikers kunnen door dit model sneller inzicht krijgen in de werking van het communicatiesysteem in kwestie.

figuur 2.2: structurering in hiërarchische lagen van een complex communicatiesyteem (Wilamowski & Irwin, 2011) 2.1.2 Fysische laag Deze laag definieert de fysische communicatievorm. Hieronder vallen taken zoals het activeren, onderhouden en afsluiten van de communicatie. De gebruikte hardware wordt gespecificeerd, alsook de elektrische en mechanische eigenschappen van de connectie. 2.1.3 Datalink laag Deze laag verzorgt een foutloze punt-tot-punt communicatie. Ze staat in voor foutcorrectie, bijvoorbeeld door de informatie redundant door te sturen, door een pariteitsbit toe te voegen of door andere foutcorrectie-algoritmen. Deze laag voegt ook een adressering in voor zender en ontvanger. 2.1.4 Netwerklaag De netwerklaag definieert het pad dat datapakketten nemen doorheen het netwerk. Een pakket dat een bestemmingsadres heeft meegekregen zal niet steeds rechtstreeks naar die bestemming gaan, maar kan om allerlei redenen een alternatieve route nemen. Dit gebeurt door een routing-algoritme toe te passen op de pakketten. Hoe zulk algoritme werkt, is natuurlijk van velerlei factoren afhankelijk. Deze laag definieert ook adressen, niet voor zender en ontvanger, maar in functie van het netwerkpad. Bovendien staat deze laag in voor het opstarten, afsluiten en eventueel herstarten van de netwerkconnectie. 2.1.5 Transportlaag De transportlaag is verantwoordelijk voor de controle op het transport van data tussen zender en ontvanger. Dit houdt onder andere in dat ervoor gezorgd moet worden dat de data foutloos verstuurd wordt, op een logische manier in stukjes verdeeld wordt, in de juiste volgorde aankomt… Dit alles moet ook in een bepaalde tijdspanne gebeuren. Als er dingen mislopen, is deze laag verantwoordelijk voor het opnieuw versturen van verloren datapakketten. 15

2.1.6 Sessielaag Deze laag staat in voor het effectief opstarten, onderhouden en afsluiten van de informatie-overdracht. In het geval dat er meerdere kanalen tegelijk openstaan naar een bepaalde gebruiker, zorgt de sessielaag voor de efficiëntie van de communicatie. 2.1.7 Presentatielaag De presentatielaag staat in voor het format van de data. Deze moet consistent en te begrijpen zijn voor de eindgebruiker. Een voorbeeld hiervan is het verzenden van een integer. De presentatielaag beschrijft de manier waarop de bytes vertaald moeten worden tot een geheel getal dat bruikbaar is voor de applicatielaag. Niet alleen dataconversie, maar ook encryptie van de data is in handen van deze laag. 2.1.8 Applicatielaag (operating system laag) De applicatielaag zorgt voor een interface die de connectie vormt tussen de rest van het systeem en de effectieve applicatie. Een voorbeeld hiervan is een functie om connectie te maken tussen het communicatiesysteem en een database. De invulling van de applicatielaag hangt sterk af van wat de bovenliggende applicatie (of het operating system) nodig heeft. Deze zeven lagen kunnen op zich de interoperabiliteit niet garanderen. Het kan zijn dat hiervoor nog bijkomende profielen gedefinieerd moeten worden bovenop de conventies die vastliggen in het OSImodel.

2.2 IEEE Standaard 802.15.4 Deze standaard is ontwikkeld voor applicaties waarbij de bandbreedte en de snelheid niet kritisch zijn, maar waar de focus ligt op eenvoud en op het vermogenverbruik. De meeste standaarden voor draadloze sensornetwerken bouwen verder op deze standaard. De std 802.15.4 legt enkel de fysische en de MAC-sublaag van draadloze netwerken vast. De MAClaag (Medium Acces Control) is het resultaat van een opsplitsing van de datalink laag, de MAC-laag is de onderste helft hiervan. 2.2.1 PHY-laag In de fysische laag zijn er 3 frequentiebanden gedefinieerd, waarvan er 1 wereldwijd beschikbaar is: de band rond 868,3 MHz, die rond 915 MHz en de 2,4 GHz-band. Omwille van de wereldwijde beschikbaarheid worden de eerste twee minder gebruikt door fabrikanten en standaarden die zich op 802.15.4 baseren. In deze drie banden zijn er 27 kanalen gedefinieerd, waarvan kanaal 11 tot 26 liggen in de 2,4GHzband, die frequenties gebruikt tussen 2400MHz en 2483,5 MHz. Deze verdeling in 15 kanalen van elk 5 MHz is nodig omdat deze frequentieband wereldwijd voor allerlei toepassingen vrij gebruikt mag worden. Dit heeft tot gevolg dat er interferentie kan optreden, waarvoor het gebruik van een ander kanaal de oplossing biedt. 16

figuur 2.3: frequentiespectrum 802.15.4 (Wilamowski & Irwin, 2011) Doordat de focus van deze standaard vermogenefficiëntie en een lage kost van de apparatuur is, is de datasnelheid laag (maximaal 250 kbps). Voor de toepassingen die draadloze sensor netwerken voor ogen hebben, is dit echter geen groot probleem. 2.2.2 Datalink laag De IEEE 802.15.4 standaard legt enkel de lagere helft van de datalink laag vast: de MAC-laag (medium acces control). De bovenste helft, de logical link control (LLC), wordt niet gespecificeerd. 2.2.3 MAC-laag 802.15.4 legt twee grote toestelklassen vast: full function devices (FFD) en reduced function devices (RDF). Een device wordt simpelweg gedefinieerd als een toestel dat een implementatie bevat van de 802.15.4 MAC-laag en de fysische interface met het draadloze medium. Een coördinator is een FFD dat functies bevat om het netwerk mee te beheren en dat (klok-)synchronisatie kan bieden aan de rest van het netwerk. Een PAN (personal area network) coördinator is het centrale controle-orgaan van het netwerk, hiervan is er slechts 1 in een 802.15.4-netwerk. Het voornaamste verschil tussen een RFD en een FFD is de functie die een device moet kunnen uitvoeren. Een RFD worden enkel ingezet voor eenvoudige doeleinden, ze zijn gelimiteerd tot een stertopologie, waarbij ze rechtstreeks met een PAN-coördinator moeten communiceren. Een FFD kan in elke topologie werken: een sternetwerk of een meshnetwerk, waarin alle devices met elkaar kunnen communiceren. Een FFD kan geïmplementeerd worden als device in zulk meshnetwerk of als PANcoördinator.

17

figuur 2.4: netwerktopologieën bij 802.15.4 (Wilamowski & Irwin, 2011) Bij een draadloos netwerk moeten vele gebruikers op hetzelfde medium kunnen communiceren. Om dit vlot te laten verlopen, zonder teveel interferentie en dus verlies van verzonden data, is de MAClaag verantwoordelijk voor de synchronisatie en het vlot verloop van de transmissie. Hiervoor wordt CSMA/CA toegepast: Carrier Sense Multiple Acces with Collision Avoidance. Een gebruiker zendt zijn data pas na eerst een RTS-pakket (Request To Send) verzonden en een CTS-pakket (Clear To Send) ontvangen te hebben. Door deze pakketten weet de gebruiker dat het kanaal vrij is en begint de transmissie. Indien het CTS-pakket niet ontvangen wordt, wacht de gebruiker een willekeurige tijd alvorens opnieuw een RTS-pakket te versturen. Dankzij dit systeem met korte pakketten, worden botsingen met de eigenlijke datapakketten vermeden, zodat hierdoor geen tijd verloren wordt. Berichten worden door de MAC-laag in een frame gestoken. Dit betekent dat de MAC-laag aan het eigenlijke bericht, zoals gedefinieerd in de PHY-laag, nog headers en een footer toevoegt om zijn functionaliteiten te kunnen uitvoeren. De PHY-laag zorgt eerst voor 4 bytes preambule en 1 Start-ofFrame scheidingsbyte (delimiter), beiden gebruikt voor synchronisatie. Daarna volgt nog 1 byte die de lengte van het frame bevat, waarna het eigenlijke MAC-frame begint (maximaal 127 byte lang).

18

figuur 2.5: opbouw frames 802.15.4 (Wilamowski & Irwin, 2011) Zoals reeds gezegd, bevat het MAC-frame een header, het eigenlijke bericht en een footer. De header begint met 2 bytes die de functie van het frame vastleggen (het frametype) en de manier van adressering. Hierop volgt 1 byte die een volgnummer is, nodig om de bevestiging uit een voorgaande transmissie te kunnen thuisbrengen. Het laatste deel van de header bestaat uit adresseringsinformatie en beveiligingsinformatie. Dit deel is 4 tot 20 bytes lang. Na het eigenlijke bericht, volgen 2 controlebytes die zorgen voor foutdetectie. Er zijn in 802.15.4 vier verschillende frametypes, met elk een eigen opbouw en functionaliteit. - het dataframe: gebruikt voor alle datatransfers, alsook functies op niveaus hoger dan de MAC-laag - het acknowledgement frame: bevat enkel MAC-header en MAC-footer, gebruikt voor bevestiging van transmissie - het MAC-command frame: gebruikt om informatie uit te wisselen die de MAC-laag doet functioneren en dus het netwerk te beheren - het beacon frame: gebruikt voor begrenzing van superframes en framesynchronisatie, kan enkel verzonden worden door een FFD Beacons en acknowledgements gebruiken geen CSMA. Beacons worden verzonden in een vast tijdsschema. Een systeem gebaseerd op 802.15.4 kan met of zonder beacons werken. Zonder beacons zendt een gebruiker een bericht naar een andere gebruiker op een zelfgekozen moment, waarop die antwoordt. Beiden gebruiken CSMA/CA. In een netwerk met beacons, verloop alles veel gestructureerder. Het dataverkeer gebeurt in specifieke tijdssloten en in structuren die superframes genoemd worden. De coördinator start het superframe met een beacon (om alles te synchroniseren), waarna de Contention Access Period volgt (CAP). Hierin kunnen de nodes vrij communiceren. Daarachter komen de Guarantied Time Slots (GTS) die de coördinator heeft toegewezen aan bepaalde nodes. Met een tweede beacon sluit de coördinator het superframe af.

19

figuur 2.6: superframe in IEEE 802.15.4 (Wilamowski & Irwin, 2011) Deze standaard is een goed begin, maar niet voldoende om interoperabiliteit te garanderen. Hiervoor is een uitbreiding nodig van de standaard (bijvoorbeeld de manier van routering is niet gedefinieerd, zonder afspraken hierover kunnen toestellen van verschillende fabrikanten niet met elkaar samenwerken). Voor draadloze sensor netwerken zijn vele standaarden ontwikkeld, meestal zich baserend op 802.15.4. Elke standaard vult de nodige lagen van het OSI-model in om op die manier een duidelijk platform te bieden waarop applicaties ontwikkeld kunnen worden.

2.3 WirelessHART Het HART (Highway Addressable Remote Transducer) communicatieprotocol is al een oude veldbusstandaard. Het was oorspronkelijk ontworpen om extra communicatie te verkrijgen met klassieke 420mA instrumentatie. Dit gebeurt door digitale signalen te versturen door de reeds bestaande bedrading, gesuperponeerd op het analoge signaal (zonder dit wezenlijk te verstoren). Het Hartprotocol heeft reeds een aantal revisies ondergaan met de bedoeling om de communicatiemogelijkheden uit te breiden zonder compatibiliteit met oudere versies van het protocol te verliezen. WirelessHART is zo’n uitbreiding van het HART-protocol (HART 7), geratificeerd in 2007. Het is ontwikkeld om dezelfde of betere functionaliteit te hebben (op applicatieniveau) als zijn bedraade tegenhanger met het doel natuurlijk om een sensor draadloos te laten communiceren.

20

figuur 2.7: lagenstructuur van WirelessHART (Wilamowski & Irwin, 2011) 2.3.1 PHY-laag De fysische laag van WirelessHART is gebaseerd op een op maat aangepaste versie van 802.15.4. Een aantal functies hiervan zijn vereenvoudigd om de kost van de apparatuur te drukken. Een van deze vereenvoudigingen is dat er enkel wordt uitgezonden in de 2,4GHz-band. Kanaal 26 (rond 2480MHz) wordt echter niet gebruikt omdat het niet op alle plaatsen toegelaten is om hierin vrij uit te zenden. 2.3.2 Datalink laag Het eerste deel van de datalink laag is de MAC-laag. Deze controleert direct de radio en heeft dus een groot effect op het energieverbruik. MAC protocols bepalen wanneer en hoe een transmitter in werking treed. WirelessHART baseert zich op de MAC-laag van 802.15.4 met twee belangrijke aanpassingen: TDMA en channel hopping. TDMA staat voor Time Division Multiple Access. Het is een aanpassing van de superframe-structuur van 802.15.4 waar enkel met GTS wordt gewerkt. De coördinator bepaalt dus wie wanneer zijn bericht mag doorsturen in vooraf bepaalde tijdssloten. Deze superframes (bestaande uit tijdssloten) herhalen zich in een continu lopende netwerkcyclus, al kan de coördinator wel toewijzingen van tijdssloten aanpassen. WirelessHART heeft een vaste lengte, zowel voor de superframes als voor de tijdssloten (10ms).

21

Door TDMA kan er gewerkt worden zonder “botsingen” tussen datapakketten en kan de vertraging zo klein mogelijk gehouden worden. Om dit systeem te doen werken moeten alle nodes in het netwerk een accurate klok hebben, tijdssynchronisatie is cruciaal. Hiervoor zijn toleranties op de afwijking en mechanismen gespecifieerd in WirelessHART die ervoor zorgen dat toestellen exact weten wanneer een bepaald tijdsslot start. Devices die communiceren in het netwerk krijgen niet enkel een superframe en een tijdsslot toegewezen van de coördinator, maar ook een kanaal. Door deze 3 gegevens, ligt een communicatielink vast, de mogelijkheid om op een bepaald tijdstip in een bepaald superframe via een bepaald kanaal te communiceren. Meestal krijgen twee devices een bepaalde link toegewezen, er kunnen meerdere links in 1 tijdsslot vallen. Op deze manier heeft de network manager de controle over de communicatie.

figuur 2.8: opbouw links (Wilamowski & Irwin, 2011) Als meerdere devices communiceren in hetzelfde tijdsslot kunnen er botsingen optreden door channel hopping. Als er interferentie is op een bepaald kanaal waardoor de boodschap niet doorkomt, zal de zender naar een ander kanaal overgaan (tot de communicatie bevestigd wordt door een acknowledgement). Dit kan samenvallen met het kanaal dat aan twee andere toestellen was toegewezen. Om deze reden blijven alle devices zenden met de CSMA/CA-strategie. Bij channel hopping wordt ook blacklisting toegepast. Wanneer een bepaald kanaal blijvende problemen oplevert, zal de network manager hierin een tijdlang geen links meer toewijzen. Deze blacklisting is niet permanent.

22

2.3.3 Netwerk laag Het WirelessHART protocol laat de implementatie van een meshnetwerk toe. Hiertoe zijn er verschillende types toestellen: - 1 security manager die encryptiesleutels verdeelt onder de netwerkmanagers van elk netwerk. - 1 actieve netwerkmanager per netwerk wiens taak het is om het netwerk te vormen en optimale routes te configureren - minstens 1 gateway, wiens doel is om via acces points de devices in het veld te connecteren met de netwerkmanager en de rest van het bedraad netwerk - meerdere devices in het veld De communicatie gebeurt dus vanuit de gateway, doorheen de devices die het netwerk vormen, naar de eindbestemming (en terug). Elke transmissie van een node naar de volgende noemt een “hop”.

figuur 2.9: structuur WirelessHART-netwerk (Wilamowski & Irwin, 2011) De routering van de pakketten is gebaseerd op graph routing. Elke twee nodes in het netwerk zijn geconnecteerd via verschillende mogelijke paden. Enkel de netwerkmanager kent de volledige route, die beheert de routes. De informatie die een node heeft, gaat enkel over de nodes die met 1 hop te bereiken zijn. De route is op voorhand bepaald, maar kan tijdens uitvoering gewijzigd worden (vergelijkbaar met een taxichauffeur die een file zal omzeilen). De devices moeten geconfigureerd worden, zodat ze alle links weten die ze kunnen gebruiken om pakketten door te sturen, dit gebeurt automatisch. Deze manier van routering is betrouwbaar want er zijn redundante paden. 2.3.4 Hogere lagen De transportlaag in WirelessHART zorgt ervoor dat de data betrouwbaar uitgewisseld wordt. Deze laag implementeert een master-slave transactie waar een master een request uitstuurt en een of meerdere slaves antwoorden met een antwoord (eenmalig of cyclisch). Zonder vraag is er dus geen antwoord bij WirelessHART.

23

De applicatielaag is dezelfde als bij wired HART. Deze laag is gebaseerd op een aantal commando’s met standaard datatypes en procedures. Een gedetailleerd overzicht van deze commando’s zou buiten de schaal van dit werk gaan. Doordat het netwerk op applicatieniveau hetzelfde is als zijn bedraade tegenhanger (waarbij op lager niveau zelf-configuratie en zelf-reparatie gebeurt), zou het in gebruik nemen van een WirelessHART-netwerk behoorlijk eenvoudig moeten zijn, zeker met voldoende ondersteuning van de zijde van de fabrikant.

2.4 ISA100 ISA staat voor International Society of Automation. Hun doel is om een familie standaarden te maken die draadloze systemen voor industriële automatisering en controle-applicaties vastleggen onder de naam ISA100. Kritische applicaties zijn gepland in een latere versie van de standaard. ISA100.11a (van hieraf aangeduid als ISA100) was de eerste standaard die geratificeerd werd (in 2009). Deze standaard heeft de bedoeling om een betrouwbaar en veilig communicatiesysteem te definiëren voor zowel niet-kritische monitoring als voor procescontrole-applicaties (die vertragingen in de grootteorde van 100ms aankunnen). ISA100 laat mechanismen toe om bestaande bedraade protocols (Foundation Fieldbus, Profibus, HART) ook via het draadloze netwerk over te dragen. Dit gebeurt door een vorm van inkapselen van de oorspronkelijke data in het ISA100-protocol, waarna deze data gerecupereerd en verder gebruikt kunnen worden. Het ISA heeft ook een subcomité opgericht om te onderzoeken of WirelessHART opgenomen kan worden in ISA100. Het doel is om deze twee standaarden samen te voegen en te publiceren als een toekomstige versie van ISA100. ISA100-netwerken kunnen een zeer uitgebreide structuur hebben. Meerdere meshnetwerken, georganiseerd rond een device moet routering-mogelijkheden, kunnen aan elkaar verbonden worden via een backbone. Routering voor de communicatie tussen deze netwerken is voorzien en elk apart meshnetwerk kan een of meerdere gateways hebben die verbinding maken met een bedraad netwerk. Omdat ISA100 een erg recente standaard is, zijn nog niet alle mogelijke applicaties in de praktijk ontwikkeld. 2.4.1 PHY laag Net zoals WirelessHART, gebruikt ISA100 ook 802.15.4, met name de 2,4GHz-band zonder kanaal 26 (niet overal beschikbaar). 2.4.2 Datalink laag De datalink laag heeft ook veel gemeenschappelijk met die van WirelessHart. Ook hier wordt gebruik gemaakt van TDMA met superframes, tijdssloten en kanaaltoewijzing, allen gelijkaardig aan de eerder beschreven principes. Het voornaamste verschil is dat in de specificaties van ISA100 de tijdssloten geen vaste lengte hebben, maar slechts een bovengrens van 250ms. ISA100 definiëert de devices naargelang hun rol in het netwerk. Er is een system manager die het netwerk beheert, een security manager die encryptiesleutels verdeelt, routers (tussen de backbone en het netwerk) en devices in het veld. Deze zijn wel degelijk gedefinieerd in de datalink laag en niet in de netwerklaag. 24

Packet forwarding gebeurt in deze tweede laag, gebruikmakend van dezelfde graph routing als WirelessHART gebruikt. Routes worden geconfigureerd door de system manager, gebaseerd op rapporten van de devices. Deze delen (periodiek) de kwaliteit van de draadloze connectiviteit met hun buren mee aan de system manager. Met behulp van de (gestandaardiseerde) rapporten maakt deze beslissingen over de routering. In de datalink laag is ook channel hopping met blacklisting gedefinieerd. Bij ISA100 is deze blacklisting wel permanent. Als er te lang teveel interferentie is op een bepaald kanaal, zal het niet meer gebruikt worden door het netwerk. 2.4.3 Netwerklaag De header van de netwerklaag is beïnvloed door 6LoWPAN (IP-gebaseerd). Er zijn 2 delen: voor en achter de backbone router. Aan een kant zit het bedraad netwerk van de industriële installatie (met veel vermogen en bandbreedte), aan de andere kant het ISA100-netwerk. De netwerklaag zorgt achter de BBR voor het vertalen van adressen en het fragmenteren van pakketten. Omdat de routing op DLLniveau gebeurt, is op netwerkniveau elk device slechts 1 hop verwijderd van de BBR. De netwerklaag beschrijft dus eerder het geheel van verschillende ISA100-veldnetwerken die verbonden zijn met elkaar.

figuur 2.10: netwerkstructuur ISA100 (The technology behind the ISA100.11a standard)

25

2.4.4 Hogere lagen Ook de transportlaag is IP-geïnspireerd (UDP wordt gebruikt). In de applicatielaag zijn softwareobjecten gedefiniëerd, samen met de nodige softwarematige diensten die de communicatie makkelijk maken voor de gebruiker. Ook hier moet de gebruiker zich op applicatieniveau niets aantrekken van het netwerk, mits dit zichzelf configureert en onderhoudt.

2.5 ZigBee en ZigBee Pro Zigbee is een standaard ontworpen voor draadloze communicatie in een groot spectrum van toepassingen: van industrie over domotica tot consumentenelektronica. Deze standaard is niet geschikt voor robuuste draadloze sensornetwerken. Het netwerk is te kleinschalig bedoeld en het werkt op slechts 1 kanaal tegelijkertijd. Hierdoor is het te gevoelig aan interferentie. Een aantal van de problemen zijn aangepakt in de aangepaste versie van deze standaard: ZigBee Pro. ZigBee Pro is iets meer bestand tegen een harde industriële omgeving, er wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van frequency hopping. Er zijn echter niet veel applicaties (voor machinemonitoring of andere) ontwikkeld met deze standaard en deze zijn zeker niet beschikbaar bij leveranciers in België. Hierdoor is verder diepgaand onderzoek naar deze standaard vrijwel nutteloos.

2.6 IETF 6LowPAN 6LoWPAN staat voor IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks. Het heft de specifieke bedoeling om internet protocol naar draadloze toestellen met een klein vermogenverbruik en een lage bit rate te brengen. Dit schiet de bedoeling van industriële draadloze sensornetwerken iets voorbij. 6LoWPAN is dan ook ontworpen met vooral LAN-netwerken, stedelijke en kantoornetwerken in het achterhoofd. Het zal dan ook niet verbazen dat er binnen de schaal van dit onderzoek geen toepasbare applicaties op de markt zijn.

2.7 Bluetooth en Bluetooth low energy Bluetooth is een veel gebruikte draadloze standaard, maar niet van toepassing op dit onderzoek. De afstand tussen twee toestellen die met elkaar kunnen communiceren ligt in de grootte-orde van 5-10 meter, te weinig voor een industriële omgeving. Tevens is Bluetooth low energy niet in staat om een performant meshnetwerk te vormen.

2.8 ultra-wideband (UWB) Ultra-wideband is eveneens niet geschikt. Het is ontworpen voor communicatie over een korte afstand met een hoge bandbreedte. Het probleem is dat de informatie verzonden wordt door elektromagnetische pulsen met een hoge energetische waarde. Deze techniek is niet toegelaten in gevaarlijke zones en dus niet geschikt voor gebruik op een olieraffinaderij.

26

2.9 OCARI OCARI staat voor Optimization of Communication for Ad hoc Reliable Industrial networks. Deze standaard is wel specifiek ontwikkeld voor draadloze sensornetwerken, maar er zijn momenteel geen applicaties verkrijgbaar die hierop gebaseerd zijn. Door de competitie tussen WirelessHART en ISA100 en het feit dat deze standaarden reeds in gebruik zijn, zal OCARI waarschijnlijk verdrukt worden in de toekomst.

27

Hoofdstuk 3: Verslag draadloze testopstelling op NC3 3.1 Inleiding Om vertrouwd te raken met draadloze sensornetwerken, hebben we een tijdelijke testopstelling op de eenheden in de zone NC3 geplaatst. De apparatuur was het Essential Insight.mesh systeem van de fabrikant Bently Nevada, ontworpen om te functioneren volgens de ISA100-standaard. De locatie (NC3) werd gekozen omdat hier het meest met afstanden gespeeld kon worden. Andere zones en eenheden op de raffinaderij zijn te compact om de limieten van het systeem op te zoeken. De proefopstelling van Bently Nevada bestond uit 3 WSIM transmitters, 1 repeater, een antenne verbonden met een Nivis gateway (met geïntegreerde backbone router en system manager). Dat alles was verbonden met een computer die instond voor de configuratie van het netwerk en het verzamelen van de data. Op de transmitters kunnen 4 metingen aangesloten worden, trilling of temperatuur. Vermits dit systeem ontworpen is voor de monitoring van machines, werd de data-aquisitie gedaan in het programma System1. Dit programma groepeert de resultaten van temperatuur- en trillingsmetingen en verwerkt ze.

figuur 3.1: testopstelling bij aflevering

figuur 3.2: gateway met antennekabel bevestigd

28

figuur 3.3: de data-aquisitie-opstelling in de termination room, de antennekabel wordt naar buiten gebracht

29

figuur 3.4: foto van de bevestiging van de antenne De PC, de gateway en de antenne vormen een vaste opstelling, de transmitters en de repeater kunnen vrij geplaatst en verplaatst worden in de eenheid. De bevestiging gebeurt magnetisch. De meetpunten hebben de volgende functies. Repeater MAC-adres: (eindigt op) 2C-06 Doel: verplaatsen in functie van het netwerk. De repeater kan geen metingen uitvoeren, enkel signalen doorsturen. Voor de vorming van een gezond meshnetwerk is dit een essentiële component. De repeater kan het zwaarst belast worden qua vermogenverbruik door ervoor te zorgen dat alle dataverkeer hierlangs moet passeren. Mogelijke test: de WSIM’s verplaatsen tot ze geen contact meer hebben met de antenne; de repeater ertussen zetten; tempo van de metingen opvoeren tot de repeater niet meer kan volgen

30

WSIM 1 MAC-adres: 2B-DA Doel: experimenteren met afstand en obstructies WSIM 1 zal verplaatst worden naar eenheden 97 en 92 om (ruwweg) afstanden te zoeken waarbij het signaal wegvalt. Meting buitentemperatuur met lange probe. Configuratie: Channel 1: temperatuurmeting Channel 2: inactief Channel 3: inactief Channel 4: inactief WSIM 2 MAC-adres: 2B-E6 Doel: experimenteren met afstand en obstructies WSIM 2 zal verplaatst worden naar punten waarop er geen directe zichtlijn is tussen de antenne en de rest van het netwerk. Doel is om een idee te krijgen van bij welke afstand en bij welke constructie tussen 2 punten van het netwerk er wel of geen signaal doorkomt. Deze WSIM zal het meest mobiel moeten zijn, daarom slechts 1 simpele temperatuurmeting met korte probe. Configuratie: Channel 1: temperatuurmeting Channel 2: inactief Channel 3: inactief Channel 4: inactief WSIM trilling MAC-adres: 2B-D2 Doel: trillingsmetingen op een bepaalde machine uitvoeren maximaal belasten qua vermogenverbruik en zendcapaciteit

31

De technische documentatie beschrijft de maximale belasting van een WSIM als volgt: “Once per minute data collection is limited to one active channel only, will dramatically shorten the battery life, and may not be possible at either high or low temperature extremes.” Dit testen we door 4 accelerometers aan de WSIM te hangen, deze transmitter bij een bepaalde machine te plaatsen en de frequentie van de metingen op te drijven tot de WSIM niet meer kan volgen. Dit zou in system1 zichtbaar moeten zijn doordat de metingen niet meer op de gevraagde tijdstippen doorkomen. De reden hiervoor ligt in de werking van het systeem, waar de antenne zijn energie haalt uit een supercapaciteit die opgeladen wordt vanuit de batterij. Deze capaciteit is de limiterende factor op de maximale zendbelasting van de WSIM. Configuratie: Channel 1: Acceleratie-opnemer 200157 Channel 2: Acceleratie-opnemer 200155 Channel 3: Acceleratie-opnemer 200157 Channel 4: Acceleratie-opnemer 200155

3.2 Doelstellingen Voor de testopstelling waren er een aantal doelstellingen en vragen vooropgesteld.

figuur 3.5: extract uit de datasheet (Datasheet Essential Insight.mesh, Bently Nevada)

32

De maximale afstand waarop een transmitter kan staan van de antenne van de gateway staat gedocumenteerd als 200 meter met directe zichtlijn. Om deze waarde op de raffinaderij na te gaan, verplaatsen we een transmitter tot op eenheid 92 of 97 (bij de koeltorens). Wat algemeen experimenteren kan ook nuttig zijn om de signaalsterkte te bekijken in functie van het hoogteverschil tussen 2 antennes. Inzicht in het verschil in onvangstvermogen van antenne en repeater kan ook nuttig zijn. De 200 meter maximale afstand: gaat dit over verbinding tussen WSIM en antenne of tussen 2 WSIM’s? We hebben de mogelijkheid om de metingen vrij exact te controleren door de periodieke metingen met mobiele toestellen van de dienst preventief onderhoud. We plannen een controlemeting op een machine waarvan trillingsmetingen draadloos worden doorgestuurd. Hiermee kunnen we kijken of het signaal niet vervormd wordt verzonden. Het systeem van Bently Nevada voorziet in een meting van het batterijniveau. Dit is een nevenfunctie om ruwweg aan te geven hoelang de batterij nog zal meegaan (uitgedrukt in %). Bij een transmitter die maximaal wordt belast, gaan we kijken of er een verschil merkbaar is na 3 weken meting. Dit kan dan mits voorzichtigheid geëxtrapoleerd worden tot een inschatting van de levensduur van zo’n batterij op de raffinaderij. Om de mogelijkheden van het systeem te leren kennen moeten we weten welke parameters kunnen ingesteld worden en of de metingen eenvoudig te configureren zijn. Moet er qua configuratie ingegrepen worden bij het verplaatsen van een meetpunt? Obstructies: in hoeverre kan het signaal ontvangen worden zonder directe zichtlijn? Neemt het signaal effectief een andere route bij een blokkering? Dit zullen we testen door transmitters te plaatsen en te verplaatsen op NC3. Praktisch hebben we voor het testen van alle condities 4 verschillende topologieën gemaakt die elk een bepaalde tijd hebben gefunctioneerd.

3.3 Opstelling 1 De testopstelling is geplaatst op 20-03 op eenheid 91. In de eerste versie werden slechts 3 van de 4 meetpunten door de gateway gevonden. De transmitter D2 werd niet gevonden doordat er teveel staalconstructie stond tussen de WSIM en de rest van het netwerk. De plattegrond van de opstelling, met de onderlinge connecties, is te vinden op de volgende pagina. De transmitters worden benoemd door de laatste letters van hun MAC-adres, R staat voor de repeater, A voor de antenne.

33

E6

D2

DA

R

A

figuur 3.6: opstelling 1 34

figuur 3.7: Locatie van de E6. Er is geen directe zichtlijn naar de antenne, er staat wat constructie tussen. De afstand tot de antenne bedraagt ongeveer 170m.

35

figuur 3.8: Locatie van de D2: de afstand in combinatie met de obstructies bleek teveel voor het signaal om de antenne te bereiken.

3.4 Opstelling 2 De transmitter D2 werd verplaatst naar een andere machine waarop trillingsmetingen uitgevoerd konden worden, de rest van het netwerk bleef staan. Dit gebeurde op 21-03. Deze opstelling bleek achteraf het meest robuust en succesvol.

36

D2

E6

DA

R

A

figuur 3.9: opstelling 2 37

figuur 3.10: nieuwe locatie D2

figuur 3.11: trillingsmetingen uitgevoerd op de machine

38

figuur 3.12: Foto genomen in de richting van de antenne en de E6. Het signaal moet via een alternatief pad (reflectie/diffractie) de WSIM E6 bereiken.

39

figuur 3.13: netwerktopologie Dit is de visuele voorstelling van de netwerktopologie op de webpagina van de gateway met gegevens van de signaalverzwakking. Hoe lager het eerste cijfer, hoe meer verzwakking (255 staat voor een perfect signaal). Het is hier duidelijk dat de connectie tussen E6 en de repeater (ongeveer 170 meter met lichte obstructies ertussen) zwak is, maar nog wel voldoende om te functioneren.

3.5 Opstelling 3 De derde opstelling werd gezet op 01-04. Hiermee werden de limieten van het systeem opgezocht. De E6 werd verplaatst binnenin een metalen hal, DA ging naar een andere eenheid op iets grotere afstand dan de rest van het netwerk. De repeater werd gezet op de locatie waar de E6 vandaan kwam. Voor de connectie in stippellijnen, zie de plattegrond bij “resultaten”. Hierop staan de andere eenheden ook waar meetpunten hebben gestaan.

40

DA D2 Meting DA op eenheid 92 R

E6

A

figuur 3.14: opstelling 3 41

figuur 3.15: locatie E6 op een ligger

figuur 3.16: foto met zicht richting de repeater

42

figuur 3.17: Nieuwe locatie DA, foto met zicht richting de antenne. De repeater staat buiten beeld aan de rechterkant.

43

figuur 3.20: Topologie van opstelling 3: de signalen zijn allemaal aan de zwakke kant en al het dataverkeer passeert langs de repeater.

44

figuur 3.21: temperatuurmeting DA In deze configuratie van het netwerk is de communicatie weggevallen, zoals zichtbaar op deze grafiek. Hier is de temperatuurmeting door de DA afgebeeld. Tot de namiddag van 1 april werd gemeten aan een pijpleiding, vandaar de hoge temperatuur. Hierna werd de buitentemperatuur gemeten op de eenheid 92. De communicatie-uitval gebeurde op 2 april rond 9 uur ’s ochtends. Het probleem hiervoor lag bij het feit dat alle dataverkeer via de repeater moest passeren om richting de antenne te gaan. Doordat er een simplex-pad naar de antenne was, kon het netwerk niet meer aan automatische load-balancing doen. De automatische load-balancing zorgt ervoor dat geen enkele zender wordt belast boven zijn maximale zendsnelheid door datapaketten langs alternatieve netwerkpaden te sturen.

45

De begrenzing van de zendsnelheid ligt bij de manier waarop de energie verbruikt wordt. Vanuit de batterij wordt een supercapaciteit opgeladen, die de energie voorziet voor de metingen, het verwerken en verzenden ervan. De oplaadsnelheid van deze capaciteit beperkte dus de datadoorvoersnelheid in de repeater. Op het moment dat de communicatie wegviel, verzonden 2 transmitters data om de 20 minuten, 1 om de minuut. Daarenboven probeerde de WSIM D2 om 9 uur een waveform door de sturen, de spreekwoordelijke druppel. In onderstaande afbeelding wordt duidelijk gemaakt dat de repeater dit niet meer kon volgen.

figuur 3.22: Excel- tool van Bently Nevada om de configuratie van een WSIM te toetsen aan de maximale belasting. (EssentialInsightPerformanceEstimates, Bently Nevada) In deze situatie is een extra repeater aangeraden (redundant pad, wel load-balancing). Het netwerk functioneert het best als het als mesh functioneert. Het netwerk probeerde aan self-healing te doen, maar dit mislukte omdat de oorzaak van het probleem niet weggenomen was. Eens de communicatie in een stertopologie wegvalt, blijft ze dus weg tot er een functioneel meshnetwerk wordt gemaakt.

3.6 Opstelling 4 Na het wegvallen van het netwerk, werden alle metingen geherconfigureerd. Enkel D2 bleef staan, alle andere meetpunten werden verplaatst als extra test. E6 werd verplaatst naar een andere eenheid, vanwaar er een directe zichtlijn was met de antenne. In deze opstelling zijn de grenzen van het netwerk verder afgetast (qua afstand en obstructies), waardoor er slechts 1 meetpunt (E6) werd gevonden.

46

D2

R

DA

A

E6 figuur 3.23: opstelling 4

Meting E6 op eenheid 97 47

figuur 3.24: nieuwe locatie DA, meting buitentemperatuur

figuur 3.25: foto vanop deze locatie richting antenne

48

figuur 3.26: nieuwe locatie E6 op de afschermkap van een motor

figuur 3.27: zicht vanop deze locatie richting de antenne (directe zichtlijn)

49

figuur 3.28: nieuwe locatie repeater De repeater is in deze opstelling op ongeveer dezelfde afstand van de antenne geplaatst als ervoor, maar een verdieping lager (dus met meer obstructies). Hierdoor werd deze kant van het netwerk niet meer gevonden door de gateway.

3.7 Resultaten Naast de doelstellingen van dit experiment, is er nog veel andere informatie over draadloze systemen in het algemeen en dit systeem in het bijzonder naar boven gekomen bij het testen. Bij het installeren van het systeem viel de eenvoud ervan op. Er hoeven slechts enkele parameters bij het configureren ingesteld te worden zoals collectie-interval, type meting (trilling of temperatuur), type opnemer... Hierna organiseert het netwerk zichzelf, er is dus geen herconfiguratie nodig bij verplaatsing van een meetpunt, de transmitters worden automatisch gevonden en opgenomen in het netwerk. In het systeem zit een zekere traagheid. Het kan bij installatie enkele minuten tot uren duren tot een meetpunt opgenomen wordt in het netwerk, afhankelijk van de signaalsterkte. Ook het ogenblikkelijk opvragen van data kan een tijdje op zich laten wachten. Dit komt doordat het systeem ontworpen is met de maximale levensduur van de batterij als belangrijkste parameter. De transmitters zullen rustig een sample nemen en die daarna doorsturen als ze er klaar voor zijn. Dit wordt ook weer bepaald door de oplaadsnelheid van de capaciteit. 50

Op deze transmitters kunnen enkel temperatuur- en trillingsmetingen aangesloten worden. Deze zijn de belangrijkste die gebruikt worden in de monitoring van machines en worden als dusdanig ook eenvoudig verwerkt in System1. Als er andere metingen (druk, flow…) gewenst zijn, kan gebruik gemaakt worden van transmitters en sensoren van eender welke fabrikant die een ISA100-systeem aanbiedt. Hierbij moet wel gelet worden op de datasnelheid en de signaalpaden. Voor de temperatuurmetingen worden thermokoppels gebruikt en voor de trillingsmetingen speciale opnemers van Bently Nevada, beiden vanwege het lage vermogenverbruik. Een PT100 kan dus niet in combinatie met dit systeem gebruikt worden. Het systeem werkt tijdsgebaseerd, niet op basis van events. Wat hiermee bedoeld wordt, is dat er geen alarmen of vooralarmen doorgestuurd kunnen worden en dat er geen actie ondernomen kan worden bijvoorbeeld bij het overschrijden van een overall trillingswaarde. Het systeem neemt sampels op bepaalde tijdstippen, stuurt ze door en gaat tussenin in slaapstand. In de hardware is deze eventgetriggerde werking wel voorzien, maar hiervoor is een update van de firmware nodig, naast maatregelen om de batterij zoveel mogelijk te sparen. Deze werking is op dit moment nog niet beschikbaar en eveneens nog niet voorzien voor de nabije toekomst. Metingen, zowel statisch als dynamisch (waveforms), kunnen wel ogenblikkelijk handmatig opgevraagd worden. Er wordt dan een request gestuurd, waarna de transmitter de gevraagde informatie verzendt zodra die hiervoor gereed is. Dit kan een tijdje duren, zoals eerder al vermeld. Voor de wSIM transmitters van Bently Nevada zijn er twee types energy harvester beschikbaar om de levensduur van de batterij te verlengen. Een energy harvester is een kleine module die aangesloten wordt op de wSIM en die energie haalt uit zijn omgeving. Hiermee kan de batterij zelfs voor onbepaalde duur meegaan als de wSIM niet frequent informatie moet doorsturen. De harvesters geven door middel van een aantal LED-lampjes aan hoeveel vermogen ze leveren. Energy harvesters zijn beschikbaar die energie halen uit temperatuurverschil en uit trillingen. De module die door temperatuur werkt, moet simpelweg op een warm oppervlak geplaatst worden. Doordat er temperatuurverschil is met de omgeving, wordt er vermogen opgewekt. De trillingsmodules worden geplaatst op een machine met een vast toerental, want hier is het werkingsprincipe gebaseerd op het aanstoten van een eigenfrequentie.

51

Er is geen merkbaar verschil in zend- en ontvangstvermogen tussen de vaste antenne en de antenne van een transmitter, beiden zijn even goed. Bij het plaatsen van een meetpunt moet rekening gehouden worden met de richting waarin de antenne moet uitzenden. Het transmissiepatroon van de antennes is een toroïde.

figuur 3.29: transmissiepatroon WSIM (Essential Insight.mesh Installation and Maintenance Manual, Bently Nevada) Het draadloos signaal kan behoorlijk wat stalen obstructies passeren door via reflecties alternatieve paden te zoeken. Dit is niet kwantitatief uit te drukken, daarom de vele foto’s en plattegronden in dit document om ruwweg een idee te geven van de mogelijkheden. Wel duidelijk was de maximale afstand waarmee de connectie lukte. Dit werd gevonden door meetpunten op eenheden 92 en 97 te plaatsen. Van de locatie op eenheid 97 was er een directe zichtlijn naar de antenne en kon het signaal de afstand van 230m overbruggen, dit is het maximum dat werd gevonden (hoger dan de 200mrichtwaarde uit de datasheets). Deze 230m was met een hoogteverschil. We kunnen dus, rekening houdend met het transmissiepatroon van de antenne, afronden tot een 250m die dit systeem bij horizontale transmissie zeker kan overbruggen. Voor een visueel overzicht hiervan, zie de plattegrond op de volgende pagina.

52

270 m (quasi-directe zichtlijn): geen connectie

230 m (directe zichtlijn): wel connectie

figuur 3.30: grootste geteste afstanden 53

Hoofdstuk 4: Presentatie en demonstratie Emerson 4.1 Inleiding Na de testopstelling van Bently Nevada, was om meer informatie te vergaren over draadloze sensornetwerken die WirelessHART gebruiken, geen uitgebreide testopstelling meer nodig. De algemene conclusies (bijvoorbeeld over alternatieve signaalpaden en dergelijke), zouden dezelfde zijn voor de twee standaarden, mits beiden op de standaard 802.15.4 zijn gebaseerd. Een bezoek aan een fabrikant, met presentaties en demonstraties, kon echter wel nog nuttige informatie opleveren, voornamelijk over de verschillen tussen de twee standaarden. Hiervoor werd een bezoek gepland aan Emerson Proces Management in Diegem. Bij dit bezoek werden een aantal presentaties en demonstraties van specifieke apparatuur gegeven door een aantal specialisten uit het bedrijf. Hier kwamen een aantal conclusies naar boven, niet alleen over de verschillen tussen WirelessHART en ISA100, maar ook over de specifieke toepasbaarheid van de apparatuur op de raffinaderij.

4.2 Doelstellingen Vooraf waren er een aantal doelstellingen en vragen opgesteld, verder bouwend op hetgeen geleerd werd bij de proefopstelling met het ISA100-systeem. Ook voor dit systeem is het nodig om een idee te krijgen van de maximale afstand tussen twee punten in het netwerk. Is er bij de apparatuur van Emerson ook een meting van het batterijniveau beschikbaar? Om de mogelijkheden van het systeem te leren kennen moeten we weten welke parameters kunnen ingesteld worden en of de metingen eenvoudig te configureren zijn. Moet er qua configuratie ingegrepen worden bij het verplaatsen van een meetpunt? Werken de transmitters ook met een supercapacitor die opgeladen wordt vanuit de batterij om energie te verstrekken aan de elektronica? Is de batterij in het veld vervangbaar? Welke types sensoren kunnen op de transmitters aangesloten worden? Kan een Pt100 aangesloten worden op een transmitter voor temperatuur? Ook bij dit systeem is het nodig om te weten of er eventgetriggerd kan gewerkt worden of enkel tijdsgebaseerd en wat hierbij de mogelijkheden zijn in de toekomst. Welke energy harvesters zijn er mogelijk in combinatie met dit systeem? Wat is het minimale datacollectie-interval? Wat is de beperkende factor? Het systeem van Emerson is gebaseerd op WirelessHART. Dit betekent dat er een strakke tijdsindeling is in het zendschema. Elke zender krijgt een vast tijdslot van 10ms om zijn datapakket door te sturen, waarna de volgende zender aan de beurt is (de volgorde wordt bepaald en doorgestuurd door de gateway). Dit zorgt ervoor dat lange datapaketten moeilijker doorgestuurd kunnen worden. 54

Een specifiek voorbeeld van zo’n probleem stelt zich bij trillingsmetingen: als een waveform doorgestuurd moet worden, wordt deze informatie omgezet in een lange datastroom. Hoe gaat het systeem van Emerson (dat een module voor trillingsmetingen op machines ter beschikking heeft) hiermee om? Kunnen de waveforms (alsook andere data) ogenblikkelijk opgevraagd worden? Bij ISA100 kan de backbone router meervoudig uitgevoerd worden om zo een hogere netwerksnelheid te creëren op bepaalde plaatsen en redundatie te bevorderen. Is de gateway een volledig geïntegreerd systeem of kunnen er bepaalde functies buiten de fysische gateway gezet worden in meervoudige uitvoering? Kan de gateway redundant uitgevoerd worden?

4.3 Overzicht presentaties 4.3.1 Algemene presentatie: visie van Emerson op wireless communicatie Emerson wil zich in het aanbieden van apparatuur focussen op 2 verschillende types netwerken: datanetwerken en veldnetwerken. Het eerste type is geassocieerd met WiFi voor industriële toepassingen, hierop werd in de presentatie geen nadruk gelegd, mits dit geen onderdeel uitmaakt van dit onderzoek. Bij veldnetwerken (sensornetwerken) stellen ze een aantal criteria voorop in de ontwikkeling van hun systeem: - kleine bandbreedte - laag vermogen - veilig, zowel qua zekerheid van communicatie als tegen indringen van buitenaf - gestandaardiseerde oplossing om op lange termijn te kunnen blijven ontwikkelen Emerson baseert zich, zoals eerder al vermeld, op de standaard WirelessHART, wat betekent dat men hier een meshnetwerk voor ogen heeft, werkende volgens het HART-protocol. De theoretische details van het WirelessHART-protocol zijn in een eerder hoofdstuk reeds uiteen gezet, deze hoeven niet volledig herhaald te worden. Een aantal aspecten hiervan werden echter dieper toegelicht. Ook dit systeem werkt volledig tijdsgebaseerd. De gateway stelt een bepaalde tabel op voor de zendvolgorde van de devices en stuurt die door naar het netwerk. Dit betekent dat een transmitter enkel op vooraf bepaalde tijdstippen actief moet zijn om een meting te verrichten of om informatie door te sturen. Tussenin gaat het apparaat in slaapstand, waarbij enkel de klok actief blijft. Een alarm doorsturen of een andere actie ondernemen op het moment waarop de meting een bepaalde waarde overschrijdt, is dus niet mogelijk. Er zit op het doorkrijgen van de meetresultaten een bepaalde vertraging. Deze vertraging is afhankelijk van de sampeltijd en de grootte van het netwerk. Afhankelijk van de plaats van een meting in het netwerk en het optimale netwerkpad bepaald door de gateway, zal deze latency van enkele milliseconden tot enkele seconden bedragen. De latency wordt hoe dan ook groter bij een groter wordend netwerk.

55

Om een apparaat op te nemen in het netwerk, moet het een Network ID en een join key meekrijgen. Deze moeten er bij configuratie door een bedraad toestel in gestoken worden. Daarna zal het toestel vanzelf opgenomen worden in het netwerk. Deze configuratie zal behouden blijven als de batterij vervangen wordt (hetgeen in het veld mogelijk is, gezien de batterij intrinsiek veilig is). De join key die het toestel meekrijgt kan roteren voor extra veiligheid, dit moet ingesteld worden in de gateway. WirelessHART maakt gebruik van channel hopping, waarbij eventuele storing op een van de kanalen in de 2,4GHz-band wordt vermeden. De 3 eerste kanalen bijvoorbeeld worden traditioneel door allerlei draadloze apparatuur bezet (een klein voorbeeld is de draadloze besturing van een garagepoort). De transmitter zal bij het mislukken van een verzending aan channel hopping doen en dus andere kanalen afgaan tot de transmissie lukt. 4.3.2 Presentatie wireless bij Emerson apparatuur: voorstelling THUM Een van de toestellen die voorgesteld werden, was de Smart Wireless THUM Adapter. De THUM is een kleine module die op een bestaande 4-20mA meting geplaatst kan worden, mits het een HART device is. Het geeft de mogelijkheid om draadloos HART metingen en diagnose-informatie door te sturen die vooraf niet beschikbaar waren omwille van een te moeilijke configuratie of het ontbreken van infrastructuur om HART-communicatie op te zetten. Het werkt op alle toestellen die volgens het HART-protocol werken. In essentie geeft de THUM een update van HART 5 naar HART 7 (WirelessHART).

figuur 4.1: THUM adapter (www.emerson.com) De THUM wordt na aansluiting automatisch opgenomen in het WirelessHART-netwerk, met een minimale sampeltijd van 8s. Deze is hoger dan bij een traditionele transmitter van Emerson, dit omdat de THUM eerst moet communiceren met het meettoestel via het HART-protocol, waarna deze informatie verwerkt moet worden alvorens draadloos doorgestuurd te worden. De energie nodig voor de werking wordt onttrokken uit de 4-20 mA loop. Deze stroom laadt een supercapaciteit op, die de elektronica van energie voorziet. Mits de THUM opgenomen is in het netwerk, kan het ook als repeater dienen voor andere transmitters. Het toestel is intrinsiek veilig, niet Ex d uitgevoerd.

56

figuur 4.2: mogelijke applicaties met THUM (Real World Wireless) 4.3.3 Presentatie: nieuwe devices opnemen in het netwerk Het configureren van het netwerk op de webpagina van de gateway is zeer eenvoudig. Het belangrijkste wat hier moet gebeuren is kiezen op welke informatie gelet wordt die het device doorstuurt. Intelligente toestellen zenden zeer veel variabelen, van de proceswaarde over vlaggen die voor een bepaalde error staan tot de temperatuur van de inwendige elektronica. Dit wordt allemaal verzonden, maar niet alle informatie wordt aan de zijde van de data-aquisitie opgenomen. De opgenomen informatie komt binnen in het data-aquisitie programma AMS, waar extra snap-on applicaties aan kunnen worden toegevoegd. Een van deze mogelijkheden is plant database, waar een overzichtelijke visuele voorstelling gemaakt wordt van het netwerk en de onderlinge connecties, compleet met de stabiliteit van elk pad en de verzwakking in dB.

57

figuur 4.3: plant database (Real World Wireless)

4.4 Overzicht demonstraties 4.4.1 Valve positioner met THUM Een van de voorbeeldapplicaties betrof een veiligheidsklep. Deze moet in noodgevallen een leiding kunnen afsluiten. Mits zulke functie kritisch kan zijn, is het nuttig om de correcte werking van de klep periodiek te verifiëren. Bij de veiligheidsklep in het voorbeeld was de testfunctie aanwezig, naast de normale klepsturing (via een 4-20mA-signaal), maar deze testresultaten werden niet teruggemeld, mits er geen HART-communicatie op het toestel was aangesloten. Hierin biedt de THUM een oplossing, door de HART-data van het intelligente meettoestel draadloos door te sturen. De test zelf bestond uit een positiesturing van 100% (volledig open) naar 85%, om het proces (het debiet doorheen de veiligheidsklep) niet te beïnvloeden, maar toch een beeld van de werking te krijgen. Alle variabelen (stuursignaal, luchtdruk, kleppositie), worden nauwkeurig opgenomen. Door deze testen kan men allerlei conclusies trekken over de werking van de veiligheidsklep en ingrijpen wanneer de werking niet meer voldoet.

58

figuur 4.4: veiligheidsklep met THUM adapter 4.4.2 Coriolismeting met THUM en Meter Verification Een gelijkaardig voorbeeld was de testopstelling met een Micro Motion Coriolismeter, maar hier ging de intelligentie van het meettoestel nog een stap verder. De coriolismeter is in staat om samen te werken met Meter Verification: een snap-on-tool binnen het programma AMS device manager via HART-communicatie (of WirelessHART in dit geval, via de THUM adapter). Deze tool controleert de werking van het meettoestel.

59

figuur 4.5: testopstelling van de massadebietsmeters met THUM adapter In normale werkomstandigheden leert Meter Verification de karakteristieken van de coriolismeter, wat de fase-naijling is bij een constant massadebiet van een bepaalde vloeistof, hoeveel ruis er op de meting zit enzovoort. Meter Verification neemt eigenlijk een “vingerafdruk” van de coriolismeter. Wanneer de stijfheid van het meettoestel door erosie verandert, of er treden andere afwijkingen op, zal het programma dit herkennen en melden, zodat een hercalibratie of een vervanging van de coriolismeter gepland kan worden. Periodieke hercalibratie kan hiermee uitgeschakeld worden, wat stilstand kan voorkomen. In processen waar de nauwkeurigheid van een coriolismeter rechtstreeks aan winst hangt (bijvoorbeeld bij de belading van schepen), kan deze monitoring zeker een bijdrage leveren.

60

figuur 4.6: screenshot van Meter Verification, de werking is goed bevonden (www.emerson.com) De veiligheidsklep en de coriolismeter zijn slechts twee van de vele voorbeelden van meettoestellen waaraan preventief onderhoud mogelijk is, voordat de metingen in alarm gaan. De rol van de wireless communicatie bij deze toepassing is dat er in veel gevallen meettoestellen in gebruik zijn die deze monitoring kunnen, maar waar ze niet actief is. Dit kan zijn doordat de nodige infrastructuur niet aanwezig is of doordat die niet up-to-date is met de laatste versie van het HARTprotocol. Een THUM adapter installeren (upgrade van HART 5 naar HART 7) en de resultaten via draadloze communicatie binnenhalen, kan dan de goedkoopste optie zijn om deze functies te activeren. 4.4.3 Trillingsmeting Trillingsmetingen zijn binnen dit werk een uitstekend punt van vergelijking tussen de twee draadloze standaarden, over de CSI 9420 Wireless Vibration Transmitter werd dan ook een uitgebreide presentatie gegeven. Deze transmitter kan, naargelang de configuratie, een aantal verschillende resultaten doorsturen. Net als bij het systeem van Bently Nevada zijn hier statische data (getallen) en dynamische data (waveforms of spectra). Hierin zijn bij de CSI 9420 echter onderling nog verschillende opties.

61

Bij statische data denken we aan de overall-waarde (een algemene waarde over het gehele spectrum). Bij dit systeem is er echter een opdeling waarmee rekening gehouden moet worden. Bij frequenties van 2Hz tot 1kHz, spreken we over overall-waarden, van 1kHz tot 20 kHz over PeakVue-waarden. In de eerste zone zit nog een bijkomende opdeling: de overall-waarden worden opgedeeld in 3 energiebanden. - 2-65Hz: frequenties in deze zone hebben meestal te maken met onbalans of een verkeerde uitlijning - 65-300Hz: in deze zone komen losheid, elektrische fouten en algemene problemen met de pomp voor - 300-1000Hz: uitwijkingen bij deze frequenties kunnen duiden op bepaalde problemen met een lager (afhankelijk van het toerental) Door deze opdeling te gebruiken, kan men al snel een algemene conclusie trekken over de aard van het probleem bij een veranderende overall-trillingswaarde. De CSI 9420 transmitter zendt standaard een overall-waarde en een Peakvue-waarde als statische gegevens door. Er kan bij de configuratie gekozen worden om naast de overall-waarde ook de 3 opgesplitste waarden als gegevens binnen te krijgen.

figuur 4.7: opdeling in 3 energiebanden (datasheet CSI 9420, Emerson)

62

figuur 4.8: analyse van de overall-waarde: het probleem ligt bij de hoge frequenties (datasheet CSI 9420, Emerson) Aan de kant van de dynamische data, zijn er ook weer een aantal verschillende opties. Alles begint met de volledige waveform, de opgenomen afdruk van de trillingen die de machine in kwestie produceert. Ook de waveform wordt opgemaakt in het gebied van 2Hz tot 1kHz en in het PeakVue-gebied van 1kHz tot 20 kHz, we zitten dus al met twee afzonderlijke sets data.

figuur 4.9: acceleratie-waveform (gebied van 2Hz tot 1kHz) (datasheet CSI 9420, Emerson)

63

Uit deze twee waveforms kan alle informatie die de trillingsmeting kan verstrekken, gehaald worden. De acceleratie-waveform geeft informatie over de fouten die resulteren in trillingen met lagere frequenties, de PeakVue-waveform geeft informatie over lagerfouten en kan zaken als slechte smering en cavitatie weergeven. Dit zijn grote pakketten informatie. Deze “rauwe” data kunnen niet zomaar via WirelessHART verzonden worden. Het is mogelijk, maar het heeft zijn tijd nodig en heeft een grote invloed op de levensduur van de batterij. Een mogelijkheid is om in plaats van de waveform te verzenden, het spectrum te verzenden.

figuur 4.10: spectrum na FFT van bovenstaande waveform (datasheet CSI 9420, Emerson) Doordat de transmitter het fast fourier transformation algoritme toepast, wordt de datahoeveelheid al met 60% verminderd. Hierdoor kan de dynamische informatie frequenter verzonden worden. Spectra en waveforms worden enkel periodiek verzonden, er is momenteel geen mogelijkheid om deze eenmalig na een aanvraag te laten doorsturen. Dit zal wel mogelijk zijn in de toekomst. De datahoeveelheid kan bij het acceleratie-spectrum (frequenties tot 1kHz) verder beperkt worden door een vereenvoudigde versie te gebruiken: het thumbnail spectrum. Nu wordt de datahoeveelheid nog eens met 98% verminderd. Dit vereenvoudigd spectrum geeft een idee van de optredende fouten, zonder details weer te geven.

64

figuur 4.11: thumbnail spectrum, vereenvoudiging van het bovenstaande spectrum (datasheet CSI 9420, Emerson) De gegevens worden ingelezen in het programma AMS Machinery Manager. Dit programma slaat de data op in de juiste databank, verwerkt de gegevens en stelt ze visueel voor. Dit systeem is niet integreerbaar met System1 van Bently Nevada. Praktisch kunnen er 2 metingen aangesloten worden op de transmitter: 2 trillingsmetingen of een trillingsmeting en een temperatuurmeting (Pt100 is mogelijk). 2 temperatuurmetingen aansluiten is mogelijk, maar dan kiest men best voor een specifieke temperatuurtransmitter die minder elektronica bevat voor het verwerken van trillingsmetingen en dus goedkoper is. De minimale sampeltijd is 1 minuut, dit is hoger dan bij andere transmitters, omdat er veel meer verwerking van de data gebeurt voor die verzonden wordt. De filosofie hierachter is dat het systeem de informatie pas na verwerking gaat opslaan, in tegenstelling tot het principe van Bently Nevada, waar alle informatie eerst wordt opgeslagen en dan pas verwerkt.

65

Een kort overzicht van de twee systemen en hun eigenschappen:

verwerking

WirelessHART (Emerson) AMS

ISA100 (Bently Nevada) System1

Pt100 mogelijk

ja

Minimale sampelfrequentie statisch

1/minuut

Nee, enkel thermokoppel 1/minuut

Minimale sampelfrequentie dynamisch frequentiebereik

1/minuut in theorie mogelijk

1/24 uur

1Hz – 10 kHz in twee delen opgesplitst +230m

1 Hz – 10 kHz

250m

Maximale resolutie spectrum

1600 lijnen

3200 lijnen

Aantal metingen per transmitter

2

4

afstand

opmerkingen System1 wordt momenteel gebruikt op TRA

De sampelfreqentie is beperkt door het netwerk, niet door de hardware bij Emerson

Er staat een grotere afstand bij ISA100 omdat deze door testen op TRA is bevestigd. 230m bij WirelessHART is een waarde uit datasheets, die kan in praktijk ook iets hoger liggen. Beide systemen pretenderen testresultaten tot 600m met vrije zichtlijn te hebben gehaald.

tabel 4.1: overzicht eigenschappen

66

Om een vergelijking te maken tussen de energie-efficiëntie van de 2 systemen, heb ik deze ook naast elkaar gezet. Voor beide systemen is dit een configuratie waarbij de batterij 2 jaar meegaat. De gegevens voor Emerson komen uit de datasheet van de CSI 9420. De gegevens voor Bently Nevada komen van een Excel-tool om de batterijlevensduur te berekenen afhankelijk van de configuratie. Configuraties waarbij de batterij 2 jaar meegaat Aantal metingen Overall-waarde (statisch)

WirelessHART (Emerson)

ISA100 (Bently Nevada)

2 30 min

4 60 min

Energiebanden (3 waarden)

8 uur

/

THUMbnail spectrum 24 uur High resolution spectrum of 30 dagen waveform tabel 4.2: vergelijking configuratie voor 2 jaar batterij

/ 1 dag

Het ISA100-systeem scoort over het algemeen beter in deze vergelijking, zeker wat de spectra of waveforms betreft. Dit komt deels doordat het bij ISA100 makkelijker is om grote hoeveelheden data in 1 keer te verzenden en omdat er bij het systeem van Emerson meer energie wordt verbruikt voor de verwerking van de data in de transmitter. 4.4.4 Toepassingsvoorbeelden Na de voorstellingen van enkele systemen uit het wireless aanbod van Emerson, werden een aantal specifieke gevallen besproken van bedrijven die reeds een draadloos sensornetwerk in dienst hebben.

67

4.5 Resultaten en conclusies De transmitters van Emerson meten zelf hun batterijniveau, zo kunnen vervangingen op voorhand gepland worden en efficiënt gebeuren. Ook bij dit systeem is de configuratie voor de gebruiker betrekkelijk eenvoudig. Bij het verplaatsen van een meetpunt is er geen herconfiguratie nodig. Energy harvesters zijn verkrijgbaar voor deze toepassingen. Een WirelessHART-netwerk is opgebouwd volgens de filosofie van 1 centrale gateway (die wel reduntant kan uitgevoerd worden). Hier rond wordt aangeraden om minstens 3 repeaters (of transmitters) te plaatsen om een bottleneck-effect te voorkomen. Het is niet mogelijk, zoals bij ISA100, om meerdere acces points te hebben om plaatselijk een hogere snelheid te bekomen. WirelessHART heeft een kleinschalig veldnetwerk voor ogen (maximaal 50-100 devices, afhankelijk van sampelfrequenties). Als het te groot wordt, stijgt de vertraging waarmee de informatie binnenkomt. De beperkende factor is de bandbreedte. Er ging bij de presentaties veel aandacht naar de THUM adapter, die diagnoses en extra informatie kan halen uit “gestrande” HART-devices. Het is logisch dat hier veel nadruk op ligt, mits WirelessHART een uitbreiding van het HART-protocol is. De transmitter voor de trillingsmetingen lijkt niet erg efficiënt met zijn energie om te gaan, dit is echter niet zo voor alle toestellen van Emerson. Een temperatuurtransmitter die zijn waarde om de minuut doorstuurt, kan 10 jaar met dezelfde batterij werken. Deze levensduur kan wel enkel gehaald worden bij optimale omgevingstemperatuur. Wanneer de omgevingstemperatuur verandert, zal de levenduur omlaag gaan, maar niet dramatisch. Bij de trillingsmetingen komt een zwakte van WirelessHART naar boven. Doordat er gewerkt wordt met vaste tijdssloten (10 ms) en een vaste opeenvolging van devices die mogen zenden, is het systeem minder krachtig in het versturen van grote datapakketten. Hoewel de 9420 transmitter dit deels omzeilt door datacompressie, is de behandeling van trillingsmetingen minder krachtig en elegant als bij het systeem van Bently Nevada, dat ISA100 gebruikt.

68

Hoofdstuk 5: Vergelijking standaarden Dit hoofdstuk is het besluit van deze masterproef. Om tot de finale conclusie te komen, wordt er eerst een overzicht gegeven van de beschikbare draadloze producten. Daarna volgt nog een korte samenvatting van de eerder theoretische aspecten van de twee netwerkstandaarden in kwestie. Tenslotte volgt de eindconclusie over draadloze sensornetwerken op de Total raffinaderij in Antwerpen, met een kleine uiteenzetting over waar dit onderzoek in de toekomst naartoe zou kunnen gaan. In dit hoofdstuk zal veel informatie uit eerdere hoofdstukken herhaald worden, maar in beknoptere vorm.

5.1 Overzicht fabrikanten Een studie van de theoretische achtergrond van de netwerkstandaarden levert zeker nuttige informatie op, maar het einddoel blijft om apparatuur praktisch in gebruik te nemen. Daarom een klein overzicht van de apparatuur die de 3 grootste (in België) fabrikanten van zowel WirelessHART als ISA100netwerken aanbieden. Alle fabrikanten hebben minstens 1 vorm van transmitter (al dan niet specifiek gemaakt voor een bepaald type data), dit betekent dat alle fabrikanten ook repeaters verkopen. Dit zijn simpelweg transmitters zonder de mogelijkheid voor metingen, enkel de antenne en radio blijft over. 5.1.1 WirelessHART Siemens transmitters Temperatuur Druk Adapter voor 4-20mA/HART signaal (loop-powered) netwerkinfrastructuur Gateway Software Pepperl & Fuchs transmitters Temperatuur Adapter voor 4-20mA/HART signaal (gevoed door batterij) netwerkinfrastructuur Gateway Software + 3D simulatiesoftware 69

Emerson transmitters Corrosie tankpeiling positie (klep) radarmeting tankpeil geleidbaarheid discrete I/O akoestische metingen (vb lekdetectie bij stoomleidingen) pH-metingen druk temperatuur THUM adapter (proces value + HART-data, loop-powered) Trilling Differentiaaldruk (niveaumeting) Differentiaaldruk (debietmeter) Niveaumeting Vortex-flowmeting netwerkinfrastructuur Gateway Software (AMS) + snap-on applicaties (gebruiksgemak + geavanceerde metingen) 5.1.2 ISA100 Yokogawa transmitters Differentiaaldruk / druk Temperatuur 8-input temperatuur (algemeen 4-20mA mogelijk) netwerkinfrastructuur Acces point (Backbone router) Media converter (nodig voor de verbinding van gateway aan BBR’s) Gateway Software

70

Honywell Transmitters Druk Differentiaaldruk (niveaumeting) Differentiaaldruk (debietmeter) Temperatuur Positie (klep) Universeel I/O (discreet of analoog mogelijk) Adapter voor HART-device (batterij of loop-powered) Radarmeting tankpeil netwerkinfrastructuur Field device Acces point: een met kabel gevoede BBR die ook als full-speed repeater kan dienen (wanneer ethernetkabel niet is aangesloten), gebruikt om het netwerk plaatselijk te versterken Cisco acces point (BBR, externe voeding en ethernetkabel) Device manager (nodig voor de verbinding van gateway aan BBR’s) Controller (gateway) Software Bently Nevada transmitter Trillingstransmitter (kan ook temperatuur verzenden) Netwerkinfrastructuur Gateway Software + System1 Een aantal zaken vallen op. Mits draadloze sensornetwerken een relatief jonge en weinig geïmplementeerde technologie is, hebben sommige fabrikanten geen grote verscheidenheid aan applicaties ter beschikking. Yokogawa en Honywell bieden meer netwerkinfrastructuur aan dan de fabrikanten die WirelessHART gebruiken. Dit is logisch, omdat een ISA100 netwerk flexibeler en grootschaliger kan zijn. Aan de kant van ISA100 is er wel geen enkele fabrikant die het volledige portfolio van mogelijke applicaties aanbiedt. Dit komt waarschijnlijk doordat de technologie jonger is en door de moeizame introductie in de industrie (wanneer er meer afnemers zijn, zal de productcatalogus automatisch uitgebreid worden). Dit heeft als gevolg dat wie een volledige totaaloplossing (machinemonitoring samen met algemene sensoren) wil implementeren gebaseerd op ISA100, zich op dit moment sowieso tot meerdere fabrikanten moet richten. 71

Aan de kant van WirelessHART heeft Emerson een zeer uitgebreid aanbod aan op maat gemaakte oplossingen. Yokogawa en Honywell beschikken over transmitters waar elk 4-20mA-signaal mee verzonden kan worden, maar het gebruik van op maat ontworpen transmitters zal uiteraard performanter en efficiënter zijn. Niet alleen kan de elektronica die de nodige berekeningen doet beperkter of net uitgebreider worden uitgevoerd, maar op deze manier kan er ook meer relevante informatie lokaal op het device worden aangegeven. Dit zorgt voor grotere eenvoud per meetprincipe en een goedkopere eindoplossing.

5.2 Afweging korte en lange termijn Er zijn op dit moment twee draadloze standaarden die directe competitie voor elkaar vormen: ISA100 en WirelessHART. Hoewel ze zeer gelijkaardig zijn (beiden gebaseerd op 802.15.4), kunnen ze niet samenwerken. WirelessHART was ontworpen met het doel om op eenvoudige wijze draadloos te communiceren met HART devices, gebruik makend van bekende HART tools en methodes. ISA100 was ontworpen om een draadloos communicatieprotocol te zijn voor procescontrole-data, anticiperend op toekomstige applicaties en toepassingen. Ook werd een manier voorzien om “vreemde” protocols toch over het netwerk te kunnen transporteren (vb profibus). WirelessHART is dus ontworpen met “gestrande” HART-devices in het achterhoofd, waar ISA100 ruimere criteria vooropstelde: performante communicatie met intelligente veldinstrumentatie zonder de eenvoudige configuratie te verliezen. Een sampeltijd van 1 seconde is in de meeste gevallen ruim voldoende voor monitoring, zelfs voor procescontrole. Beide standaarden kunnen deze frequentie aan, maar enkel ISA100 kan garanties bieden qua tijdsvertraging. Een WirelessHART-netwerk zal grotere latency krijgen, naarmate het netwerk groeit. Dit betekent dat WirelessHART niet geschikt is voor kritische toepassingen, daar is het ook niet voor ontworpen. ISA100 biedt op dit vlak meer mogelijkheden, deze standaard specificeert een maximale vertraging van 100ms, dit is wel enkel gegarandeerd bij het gebruik van een nabije backbone router in het veld (1 hop verwijderd). Voor kritische toepassingen zijn er nog geen applicaties ontwikkeld, maar de mogelijkheden zijn door de standaard niet uitgesloten. Een sampelfrequentie van 4 Hz is bij ISA100 de huidige limiet, bij WirelessHART is dit 1 Hz. ISA100 kan sneller (tot 12 Hz), maar daarvoor moet de datalink laag geherconfigureerd worden. De gebruiker heeft deze optie, zonder het protocol (en de interoperabiliteit) te hoeven veranderen. WirelessHART is beperkter dan ISA100 als het gaat om lange datasets, omdat deze niet passen in de vaste tijdssloten die 10ms lang zijn. ISA100 is veel geschikter voor uitgebreidere datatransfer. Hoewel de apparatuur die gepresenteerd werd bij Emerson behoorlijk wat intelligentie bevatte en kon communiceren, zitten deze toestellen toch sneller tegen een bovengrens aan. Dit werd duidelijk bij de trillingsmetingen. De trillingstransmitter van Emerson moest allerlei ingrepen toepassen om de uitgebreide informatie door te sturen. In de standaardconfiguratie worden vereenvoudigde spectra dagelijks doorgestuurd en volledige waveforms of spectra om de 30 dagen, nog steeds met een lagere resolutie dan de apparatuur van Bently Nevada aankon. Dit laatste systeem stuurt standaard zonder problemen dagelijks volledige spectra door.

72

Zowel WirelessHART als ISA100 gebruiken een mesh-structuur. Dit is een optimale manier om grotere afstanden te overbruggen, devices te bereiken achter obstructies en te zorgen voor redundantie in het netwerk. Enkel ISA100 kan meerdere routers in het veld plaatsen, wat ervoor zorgt dat bepaalde devices met zekerheid met een constante en kleine tijdsvertraging communiceren. De diepte van het meshnetwerk (aantal hops tot aan de router), een rechtstreekse invloed op de tijdsvertraging, kan bij WirelessHART niet beperkt worden. WirelessHART is een standaard die 2 jaar eerder uitkwam als ISA100. Daarom zijn de applicaties hiervoor al verder ontwikkeld. De mogelijkheden zijn bij ISA100 echter veel uitgebreider op lange termijn.

5.3 Conclusies Beide systemen zullen bij installatie functioneren zoals beschreven door de fabrikanten. Beiden vormen een robuust meshnetwerk dat door zijn functionaliteit en door reflectie van elektromagnetische golven heel wat obstructie aankan op de raffinaderij. Mits voldoende planning kunnen alle locaties op de eenheden en in het tankpark bereikt worden. Met vrije zichtlijn kunnen afstanden gehaald worden rond de 250m, er wordt door fabrikanten gesproken over nog grotere afstanden, maar dit is in dit werk niet bevestigd. Implementatie en onderhoud van het netwerk is betrekkelijk eenvoudig, zoals bevestigd bij de testen op NC3. Wanneer het netwerk groter wordt, zal er uiteraard uitgebreidere documentatie bijgehouden moeten worden en meer planning moeten gebeuren. Wanneer de Total raffinaderij in Antwerpen een draadloos sensor netwerk zou willen installeren, zal het moeten kiezen tussen ISA100 en WirelessHART. De twee standaarden kunnen naast elkaar bestaan in dezelfde industriële installatie, maar wanneer beiden worden geïnstalleerd, gaan de voordelen van de gestandaardiseerde oplossing deels verloren. Ook moet veel apparatuur dan dubbel uitgevoerd worden, wat verhoogde aankoop- en onderhoudskosten met zich meebrengt en dubbele expertise van de instrumentatietechniekers vergt. WirelessHART houdt een draadloos sensor netwerk in dat ontworpen is om kleinschalig te blijven (maximaal 50-100 toestellen), gebruik makende van devices die relatief beperkt zijn in analysemogelijkheden en datagrootte. Applicaties hiervoor zijn ontwikkeld en hebben hun diversiteit en functionaliteit al meer bewezen. De fabrikant Emerson heeft met voorsprong het grootste (van beide standaarden) portfolio aan toepassingen ter beschikking. ISA100 houdt een netwerk in dat uit meerdere subnetwerken kan bestaan, waar op vooraf gekozen plaatsen betrouwbaar hoge snelheden bereikt kunnen worden, geschikt voor toekomstige kritische toepassingen. De devices kunnen grote datasets (zoals nodig bij trillingsmetingen) zonder problemen doorsturen. De mogelijke applicaties hiervoor zijn echter nog niet allemaal beschikbaar en er is geen enkele fabrikant die het volledig portfolio van toepassingen (die al wel bestaan) kan leveren. ISA100 is op lange termijn de standaard die qua mogelijkheden het dichtst de huidige bedrade veldbussen benadert.

73

Met het zicht op machinemonitoring op de Total raffinaderij in Antwerpen is een ISA100-netwerk veruit de beste oplossing. Dit omdat Bently Nevada apparatuur aanbiedt die superieure prestaties kan leveren ten opzichte van de concurrentie, die bovendien perfect integreert met System1 (momenteel gebruikt door de dienst preventief onderhoud). Voor toepassingen waar spectra en/of waveforms met hogere frequenties dan eenmaal daags gewenst zijn (bijvoorbeeld de indienstname van een machine na revisie), is een draadloos netwerk geen goede oplossing. De datastroom die hierbij verzonden moet worden, is simpelweg te groot voor de huidige bestaande oplossingen. Een oplossing voor deze toepassing is een mobiele (met krachtige batterij gevoede) eenheid die de gewenste data opneemt en lokaal opslaat. Diagnose is dan mogelijk bij het falen van de machine en de data kan van een geheugen in de mobiele eenheid gehaald worden. Wat veldinstrumentatie betreft, is het moeilijker om een eenduidige conclusie te geven welke communicatiestandaard optimaal is. ISA100 biedt de meeste perspectieven op lange termijn, zeker als de verwachte en gewenste evolutie gaat naar het draadloos uitvoeren van kritische metingen. Deze toepassingen bestaan echter nog niet en het is moeilijk te voorspellen wanneer dit het geval zal zijn. Voor WirelessHART zijn er al wel veel praktische applicaties ontwikkeld. Deze kunnen minder uitgebreide data verzenden dan ISA100-toestellen en het netwerk zal kleinschaliger moeten zijn, maar het is de dienst instrumentatie die de afweging moet maken in hoeverre dit nodig is. Voor preventief onderhoud is ISA100 dus de beste draadloze standaard, voor instrumentatie is dit niet zo duidelijk vast te stellen. Dit zijn op Total twee aparte diensten, die de finale conclusie in dit vraagstuk in onderlinge samenwerking zullen moeten maken. Kiezen voor een van de twee standaarden betekent namelijk op dit moment de andere uitsluiten.

74

5.4 Verdere mogelijkheden onderzoek Ik ben in dit werk tot een duidelijke eindconclusie gekomen wat de mogelijke systemen betreft. Deze besluiten zijn gefundeerd op theoretisch onderzoek en praktische testen. Zou ik mij echter na deze masterproef verder kunnen toelichten op dit onderwerp, zijn er een aantal zaken die zeker nog het onderzoeken en uitvoeren waard kunnen zijn. Om te beginnen zouden presentaties en demonstraties (eventueel zelfs testopstellingen) van andere leveranciers nog wat praktische kennis kunnen bijbrengen. Hierbij denk ik specifiek aan Yokogawa en Honeywell. Ik heb mij tot nu toe moeten beperken tot twee fabrikanten omdat contact leggen en bezoeken plannen, voorbereiden en verwerken zeer veel tijd vergt (om nog maar te zwijgen van een testopstelling). Omdat ik mij moest beperken heb ik Bently Nevada en Emerson gecontacteerd, mits zij een systeem voor trillingsmetingen aanbieden. Dit sloot perfect aan bij de invalshoek van waaruit ik dit onderzoek benaderde en bood een zeer goed punt van vergelijking. Een belangrijke factor die ik niet in overweging heb genomen is de kostprijs van de apparatuur. Dit omdat kostprijsberekening afhankelijk is van factoren waarover ik geen controle heb (grootte van de implementatie, type apparatuur, voorzien van locaties, leverancier…). Ook heb mij vooral bezig gehouden met de werking van de systemen, een overzicht en afweging van de voordelen en nadelen. Een nuttige verderzetting zou een praktisch project kunnen zijn waarbij een bepaald netwerk uitgedacht wordt (locaties, types meting), waarna een aantal leveranciers een prijsschatting maken. Dit had echter zowel qua tijd als qua schaal buiten dit werk gevallen, er komt namelijk bijzonder veel kijken bij het opstarten van een project op een olieraffinaderij.

75

Lijst met figuren en tabellen Figuren 1.1: data trillingsmeting 2.1: OSI-model 2.2: structurering in hiërarchische lagen van een complex communicatiesyteem 2.3: frequentiespectrum 802.15.4 2.4: netwerktopologieën bij 802.15.4 2.5: opbouw frames 802.15.4 2.6: superframe in IEEE 802.15.4 2.7: lagenstructuur van WirelessHART 2.8: opbouw links 2.9: structuur WirelessHART-netwerk 2.10: netwerkstructuur ISA100 3.1: testopstelling bij aflevering 3.2: gateway met antennekabel bevestigd 3.3: de data-aquisitie-opstelling in de termination room 3.4: foto van de bevestiging van de antenne 3.5: extract uit de datasheet 3.6: opstelling 1 3.7: Locatie van de E6. 3.8: Locatie van de D2 3.9: opstelling 2 3.10: nieuwe locatie D2 3.11: trillingsmetingen uitgevoerd op de machine 3.12: Foto genomen in de richting van de antenne en de E6. 3.13: netwerktopologie 3.14: opstelling 3 3.15: locatie E6 op een ligger 3.16: foto met zicht richting de repeater 3.17: Nieuwe locatie DA 3.20: Topologie van opstelling 3 3.21: temperatuurmeting DA 3.22: Excel- tool van Bently Nevada 3.23: opstelling 4 3.24: nieuwe locatie DA, meting buitentemperatuur 3.25: foto vanop deze locatie richting antenne 3.26: nieuwe locatie E6 op de afschermkap van een motor 3.27: zicht vanop deze locatie richting de antenne (directe zichtlijn) 3.28: nieuwe locatie repeater 3.29: transmissiepatroon WSIM 3.30: grootste geteste afstanden 4.1: THUM adapter 4.2: mogelijke applicaties met THUM 4.3: plant database 4.4: veiligheidsklep met THUM adapter 4.5: testopstelling van de massadebietsmeters met THUM adapter 76

4.6: screenshot van Meter Verification 4.7: opdeling in 3 energiebanden 4.8: analyse van de overall-waarde 4.9: acceleratie-waveform (gebied van 2Hz tot 1kHz) 4.10: spectrum na FFT van bovenstaande waveform 4.11: thumbnail spectrum, vereenvoudiging van het bovenstaande spectrum Tabellen 4.1: overzicht eigenschappen 4.2: vergelijking configuratie voor 2 jaar batterij

77

Bronnen (referentielijst) Emerson. (2014). datasheet CSI 9420 Wireless Vibration Transmitter [pdf]. Bently Nevada. (2013). Datasheet Essential Insight.mesh [pdf] http://electronicdesign.com/what-s-difference-between/what-s-difference-between-ieee-802154-and-zigbee-wireless

www.emerson.com EssentialInsightPerformanceEstimates [Excel-tool]. Bently Nevada Bently Nevada. (2012). Essential Insight.mesh Installation and Maintenance Manual [pdf] Wilamowski B.M. & Irwin J.D. (2011). Industrial Communications Systems. Boca Raton, CRC Press www.monition.com Emerson. Real World Wireless [pdf] ISA100 Wireless Compliance Institute. The technology behind the ISA100.11a standard – an exploration [pdf].

78

Geraadpleegde literatuur Emerson. (2014). Datasheet Emerson Smart Wireless Gateway 1410 [pdf] www.emerson.com Bently Nevada. (2012). Essential Insight.mesh Installation and Maintenance Manual [pdf] www.ge-mcs.com/en/bently-nevada www.hartcomm.org www.honywell.com Wilamowski B.M. & Irwin J.D. (2011). Industrial Communications Systems. Boca Raton, CRC Press Verhaevert J. (2012). Industriële communicatie [syllabus]. Hogeschool Gent. www.isa.org Nivis. (2012). Nivis ISA100.11a R2.7 Monitoring Control System User Guide [pdf]

www.pepperl-fuchs.us Oste F. Predictief Onderhoud [syllabus]. Total Raffinaderij Antwerpen. S. Petersen, P. Doyle, S. Vatland. (2007). Requirements, drivers and analysis of wireless sensor network solutions for the oil & gas industry. Proceedings of the IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation. Emerson. (2008). Self-Organizing Network: Best Practices: Planning, Installation, and Commissioning Guide [pdf] www.siemens.com ISA100 Wireless Compliance Institute. The technology behind the ISA100.11a standard – an exploration [pdf]. CMC. (2014). Wireless Field Instrumentation, the user's dilemma. www.yokogawa.com

79