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工业物联网(IIoT)的传感器和无线技术的应用和作用

从连接的家庭和智能可穿戴设备到工业4.0和智能城市应用,无线传感器网络(WSN)几乎遍布所有可能的应用。它们借助不断发展的微机电系统(MEMS)传感器,通过遥控执行器和监视/跟踪环境将自动化带到简单的手动任务中。这些相对简单,受能源限制的设备在数据收集和数据分析中显示出巨大的潜力,可以更好地评估人,机器甚至工厂系统,更多信息尽在振工链。

从连接的家庭和智能可穿戴设备到工业4.0和智能城市应用,无线传感器网络(WSN)几乎遍布所有可能的应用。它们借助不断发展的微机电系统(MEMS)传感器,通过遥控执行器和监视/跟踪环境将自动化带到简单的手动任务中。这些相对简单,受能源限制的设备在数据收集和数据分析中显示出巨大的潜力,可以更好地评估人,机器甚至工厂系统,更多信息尽在振工链。

在工业物联网(IIoT)中,可以利用短距离无线解决方案,蜂窝和低功耗广域网(LPWAN)来支持各种传感器节点。工业通信的选择取决于该过程对实时数据的需求是时间紧迫的,还是对于频繁或不频繁的传输来说是非时间紧迫的。取决于手头的工业应用,存在许多IIoT用例,其中可以使用许多传感器技术和/或通信协议

工业物联网(IIoT)的传感器和无线技术的应用和作用

过程监控

过程监视可能是工业WSN(IWSN)的最大应用,因为它需要在远距离上放置和跟踪成千上万的传感器节点。这种跟踪行业运营的集中式方法可以实现预测性维护策略,从而有计划地将工厂的停机时间降至最低,并节省运营开销。

机器健康用例和常见传感器类型

超专业设备在整个IIoT上得到了利用,因为监视常见故障对于维持机器设备的最佳性能至关重要。例如,虽然高端计算机数控(CNC)系统可以大规模进行精密加工,但它可能会遇到主轴不平衡的常见故障。

如果发生此类故障,主轴系统中的质量不平衡会导致机床振动,从而最终导致机床精度下降,如果不予修理,则有可能导致进一步的机床损坏。1通常,对主轴内的轴承进行振动分析,因为它们允许轴在旋转发生时保持在原位,因此,这些组件的振动很明显。

加速度计能够通过收集振动数据来监视和检测此类机床故障。超声波和声发射传感器可以通过识别由金属降解引起的超声声发射,在任何明显的振动发生之前检测主轴轴承内的损坏。有了标称热运行知识,温度传感器还可以记录机器内各种关键组件的温度异常。感应电流传感器也将检测电动机消耗的电流变化,并且类似地检测异常。

这些相同的原理可以应用于包括大型电动机的任何大型机器。例如,起重机通常用于制造设施中,以将大型重型设备从客车运送到飞机上。皮带和皮带轮上有皮带轮和电动机,这些皮带在煤矿,食品加工和化学隔离等广泛的应用中得到利用。加速度计,温度传感器和感应电流传感器对于此类机器的充分监控很有用。

资产监控用例和常见传感器类型

石油和天然气制造商监控远距离管道等资产。在此应用中,不惜一切代价避免泄漏和破裂,以防止潜在的生命损失和对环境的破坏。管道具有几种严重的故障模式,包括构造/制造缺陷;安装过程中的损坏;腐蚀; 以及诸如地震,滑坡和极端天气相关事件之类的地球力量。

外部加速度计可以通过跟踪流动引起的振动来监视管道的流量。裂纹监测可以通过超声波检测或横向磁通泄漏来完成。可以通过采用RFID光纤等技术的多个传感器来防止由于腐蚀引起的故障。地震传感器可以为海上钻井平台提供地下地图,从而提高钻井效率。

在化学,食品和制药加工设施中,混合罐可旋转以精确值添加的化学药品和成分。放置在这些水箱关键位置的传感器可测量温度,湿度,压力,pH值和料位等参数,从而确保最佳的工厂操作程序,而几乎不需要人工干预。

用于过程监控的IoT协议因应用程序而异。下表1列出了一些常用的IoT协议及其一些关键参数。通常,WSN监视设施内的机器运行状况,与某些资产监视应用程序(例如跟踪管道运行状况)相比,WSN包含在相对较小的区域内。

在很少传输少量有效载荷的情况下,诸如LoRaSigfoxNB-IoT的LPWAN提供了低于千兆赫兹频率的窄带调制方案,这是两种质量,可增加信号范围。LPWAN不仅以远距离传输而著称,而且以超过10年的长电池寿命和一对多架构而著称,在该架构中,数千个设备可以无线连接到网关(当传感器节点可以以数以万计,能量收集技术和电池寿命是至关重要的考虑因素。

但是,LPWAN协议通常与计划外的传输异步。因此,它们很容易在高网络容量下发生数据冲突。对于要求确定性和可靠传输且误码率(BER)低的时间紧迫的IIoT应用而言,这不是理想的选择。诸如WirelessHART和ISA100.11a之类的行业特定无线网络基于IEEE 802.15.4低速率无线个人区域网络(LR-WPAN)。它们的最大范围为200米,可提供高达250 Kb / s的吞吐率和10至100 ms的延迟,以在关键过程中提供更多实时通信。

健康和安全

使用相应的智能警报装置监视环境状况对于保护工业工人和保持平稳运行至关重要。这通常涉及在特定风险区域附近使用基于气体/化学物质的传感器节点。

在石油和天然气工业中,追踪高度可燃的甲烷泄漏对于防止井口周围的任何潜在爆炸至关重要。疏水阀利用各种制造设备来过滤空气中的冷凝物,而不会让蒸汽逸出。有故障的疏水阀将无法从蒸汽中除去水滴,导致水积聚并破坏蒸汽管路,从而导致昂贵的停机时间和安全隐患。

声学传感器和温度传感器已用于监视这些关键组件的行为,以防止任何代价高昂的故障。地下矿山因危险的安全条件而臭名昭著。积极监控一氧化碳,甲烷和气流等环境参数,以确保安全的工作环境。

对于这些应用程序而言,可靠的确定性协议是必需的,通常需要在设施内进行WirelessHART或ISA100.11a通信。尽管这些协议可能比诸如蓝牙低功耗(BLE)或LPWAN之类的其他WSN技术在传感器节点上消耗更多功率,但对数据执行实时分析和控制的能力对于确保采取适当的安全措施至关重要。

WirelessHART和ISA100.11a都是专门为工业应用而设计的。WirelessHART是现有HART技术的无线替代产品,ISA100.11a由国际自动化协会(ISA)开发,以支持工业应用中已经使用的多种协议,包括HART,Modbus,Foundation Fieldbus和ProfiBus。这两个网络都支持星形和网状网络,并具有从主机到传感器节点的双向通信。

使用RTLS进行资产跟踪

与依靠GPS且通常产生约10 m的精度的室外跟踪系统相比,诸如实时定位系统(RTLS)之类的室内定位系统(IPS)可以在不考虑卫星信号穿透工厂的情况下实现同等或更低的精度墙壁。下面的表2列出了一些更常用的RTLS。

此类IPS可以应用于工厂车间,以主动跟踪诸如叉车之类的移动室内设备,并主动跟踪设施内运输中的库存。室外环境(例如卡车场)可以通过分配码头和跟踪货物的装卸来利用RTLS监视和管理卡车的移动。

根据所使用的无线协议,室内定位系统将采用三边测量或指纹定位方法。三边测量使用估计的距离来计算对象的最可能坐标。指纹识别方法将当前信号特征与从指纹位置获得的先前分类的信号特征集进行比较,通常在技术上会涉及到实现。然后,可以通过将在线测量结果与“指纹”进行比较来获得传感器的运动。为简便起见,本节将介绍两种流行的RTLS协议:蓝牙和超宽带(UWB)。

利用UWB系统进行RTLS

超宽带(UWB)技术本质上会发送持续时间极短的能量脉冲

对于RTLS应用,UWB调制中的短脉冲允许精确的延迟估计,最终产生位置/位置数据。通常,UWB技术利用由标签生成的到达时间(ToA)和到达时间差(TDoA)信息,这些标签发出低功率UWB脉冲,并由传感器或UWB读取器接收。这些脉冲用于确定具有厘米精度的标签的精确3D位置。但是,网络中的UWB阅读器之间需要精确的时间同步,才能成功获取位置数据。

UWB频率的频率分配介于3.1和10.6 GHz之间。通常,由于这些天线的全向辐射方向图以及在较大频率带宽上产生稳定的输入阻抗的能力,因此在这些应用中使用了平面单极天线。由于它们在X波段上的性能以及走线尺寸在较高频率下会变小的事实,这些天线提供了一种小尺寸的解决方案,可以将其打印在固定发送器/接收器的同一PCB上。

蓝牙信标

BLE模块虽然已经是一个多产的短程协议,但它通过传递蓝牙信标来传播本地化内容,从而在RTLS应用中得到了利用。这些信标可以通过以预定的时间间隔(》 100 ms)广播带有数据包的低能耗信号来充当接近传感器

通过接收信号强度指示器(RSSI)读数计算距离,最终根据接收信号的强度与RF信号在空间中传播之间的数学关系来推断节点之间的距离。6这将创建一个实时库存清单,该清单配备了具有唯一ID和BLE标签以及主动更新位置数据的清单。由于大多数智能设备都支持蓝牙(例如,智能手机,平板电脑,笔记本电脑),因此可以潜在地消除对自定义硬件的需求,从而节省大量成本。

虽然BLE确实支持双向通信的网状拓扑,但BLE信标通常支持单向通信,因此仅限于星形拓扑。在这样的配置中,信标通常会通过蜂窝或Wi-Fi连接到启用蓝牙的设备/路由器,并将信息中继到云。

如前所述,这些信标中的许多都可以包含具有千兆赫兹以下远程无线网络的多协议SoC,以通过智能照明或HVAC控制来控制/监视工厂环境。广告包的大窗口可以使千兆赫兹无线电处于接收状态,从而从设施内的远处获取非频繁且不可预测的信息包。

通常,BLE信标设计将包括2.4 GHz PCB天线和特定于供应商的蓝牙芯片。在某些情况下,蓝牙芯片将具有集成的芯片天线。如果该板采用了千兆赫兹以下的频率协议,那么PCB天线将因为太大而无法生存。

如前所述,BLE通常使用三边测量(RSSI)来确定位置区域。在这种情况下,由于天线在工厂车间的360度覆盖范围,因此全向辐射方向图通常是合适的,只要天线与发射器的阻抗相匹配即可获得最大的信号传输和范围。但是,可以实现TDoA算法,从单个信标信号计算两个角度,或者从两个信标信号计算三个角度。在这种情况下,可以使用配备有更复杂的天线阵列的BLE信标的复杂映射和放置来潜在地创建3D地图。

车队管理

工业车队的管理可能会因乘用车,拖拉机拖车,铁路,飞机,轮船和重型设备而异。仅卡车就占美国运输货物的70%,因此对跟踪物流(例如维修,更换和定期维护)尤为重要,以防止车队运营不善。通常,蜂窝基础结构用于超越工厂范围边界的应用。但是,对于局部设备(例如矿井中的重型设备操作),可以考虑使用LPWAN。

车队远程信息处理可以与2G,3G和4G基础设施或特定于IoT的蜂窝替代品(例如NB-IoT或LTE-M1)进行通信。传感器节点可以包括GPS模块,陀螺仪,液位传感器和加速度计。在GPS提供位置数据的地方,加速度计提供车辆的方向,而液位传感器则实时测量燃料。更复杂的系统也用于车队管理。自2008年以来,无人驾驶采矿卡车一直在运行,该卡车配备了200多个传感器,GPS接收器和雷达制导系统。

摘要

一系列传感器和通信协议可以根据所需的可靠性,延迟和灵活性级别为工业网络提供服务。过程监视以及健康和安全应用程序通常需要与基于IEEE 802.15.4的协议(例如ISA100.11a,WirelessHART)进行实时通信,而某些资产监视应用程序可以从LPWAN应用程序提供的远程服务中受益。

室内资产跟踪应用程序具有特定的本地化系统,并具有基于ToA或RSSI的算法,以提高准确性。另一方面,车队管理系统可以依靠GPS来获取位置数据,但必须通过任一蜂窝回程将所有传感器数据传输到集中点。如果车队位于有限的地理位置,他们甚至可以从LPWAN中受益,更多信息尽在振工链。

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