Bezdrátové senzorové sítě

Při údržbě po poruše pracuje zařízení až do stavu, kdy není možný jeho další provoz z důvodu silného opotřebení či závady a je nutná jeho oprava. Avšak porucha, která na stroji již nastala, většinou zapříčiní kromě náhlé odstávky i opotřebení nebo poškození ostatních komponent stroje, které by v případě včasné údržby zůstaly bez vad.  

Preventivní výměna exponovaných dílů

V případě plánované údržby výrobce s určitou mírou bezpečnosti stanoví, v jakém intervalu by se měla uskutečnit prohlídka a preventivní výměna exponovaných dílů. Při uplatňování systému plánované údržby však dojde k odstávce stroje i v případě, že by byl schopen ještě dlouhodobého provozu, nebo se preventivně vyměňují součásti, které ve skutečnosti nevykazují nijak závažnou míru opotřebení.

Moderní systémy údržby jsou založeny na sledování stavu zařízení za provozu (angl. Condition Based Maintenance - CBM), kdy jsou vyhodnocovány ukazatele vypovídající o stavu opotřebení součástí stroje a podle této znalosti lze předem stanovit čas do poruchy i povahu a rozsah poškození stroje, které by jej mohlo v dohledné době vyřadit z činnosti. Tímto přístupem lze s dostatečným předstihem naplánovat odstávku stroje na vhodný termín (podniková dovolená, plánovaná prodleva ve výrobě) a poškozený díl či skupinu dílů vyměnit. Toto řešení přináší oproti výše zmíněným přístupům značné finanční úspory vynaložené na údržbu. Na druhou stranu pořizovací cena současných systémů CBM ještě není na takové úrovni, aby se dala nasadit i u menších provozů. Proto je třeba hledat nové přístupy, jak tyto systémy učinit finančně dostupnější. Jednou z alternativ k rozšířeným centralizovaným systémům by mohly být decentralizované bezdrátové senzorové sítě.

Údržba prováděná podle skutečného stavu stroje

Sledování stavu stroje (jako disciplína technické diagnostiky) se datuje ke konci čtyřicátých let dvacátého století, kdy jedna z železničních společností ve Spojených státech začala sledovat výskyt chladicí směsi a paliva v oleji naftových motorů lokomotiv. Díky snížení poruchovosti svých strojů dosáhla v té době překvapivého ekonomického úspěchu. Během dalších desetiletí se rozvíjely různé techniky především díky vojenským aplikacím, kdy se na strojních zařízeních vyhodnocovaly ukazatele jako změna teploty, změna zátěže pohonu stroje a analýza oleje a tribologie.

Začátkem 70. let dvacátého století došlo k rozvoji výpočetní techniky a tím i algoritmů pro zpracování signálů, zejména algoritmu pro rychlý výpočet Fourierovy transformace (FFT). Mezi výše zmíněné ukazatele tak přibylo měření a vyhodnocování vibrací strojů a zařízení.  

Současné systémy CBM     

Topologie dnes nejvíce používaných CBM systémů se většinou skládá ze senzorů připojených k centrální jednotce sběru dat, která je připojena k PC. Zde se data zpracovávají a zobrazují (obr. 1). Dražší systémy jsou autonomní a centrální jednotka zahrnuje zpracování signálů, zobrazovací jednotku, případně přímo vyhodnocuje druh vady a její rozsah. Zmíněné systémy i přes svoji vyspělost nejsou dostupné pro menší provozy, kde náklady za méně efektivní systémy údržby jsou nižší než pořizovací cena centralizovaného systému CBM.

Stárnutí svazků a oxidace konektorů

Cenu centralizovaného systému CBM negativně ovlivňuje kabeláž k senzorům, která musí splňovat určité parametry a kvalitu. Dále souvisejí s kabeláží v průmyslu problémy se stárnutím svazků a oxidací konektorů, působení škodlivých vlivů (vlhkost, teplota, prach), nevratné poškození při působení vysokých teplot (přehřátí, požár), nepřehlednost systému, komplikovaná montáž a demontáž při zásahu do zařízení a v neposlední řadě nízká flexibilita pro úpravy a modernizaci zařízení. Proto jakékoliv změny a úpravy vyžadují odborný zásah specializované firmy.

Vhodným řešením pro menší provozy se jeví využití bezdrátové technologie. Proto se od konce devadesátých let dvacátého století vyvíjejí systémy, které mohou pracovat autonomně bez stálého přívodu napájení. Pokud se k uzlům takového bezdrátového systému přidá senzorová část snímající danou fyzikální veličinu, vznikne univerzální měřicí systém - takzvaná bezdrátová senzorová síť.

Rozvoj WSN

Vývoj těchto sítí, v angličtině nazývaných „Wireless Sensor Networks", začal na konci devadesátých let a celosvětově se pro tyto sítě ujala zkratka WSN. Prvotní impulz k vývoji WSN přišel jako u většiny moderních technologií z vojenského prostředí. Zde byl požadavek na sledování fyzikálních veličin v jednotlivých místech rozlehlého území. Letadlem či terénním automobilem náhodně rozeseté velké množství senzorů po okolí vyhodnocuje změnu teploty, vibrací a tlaku a včas informuje o přesunech nepřátelských vojsk. Vedle vojenského využití tato technologie vzájemně komunikujících senzorů brzy našla uplatnění i v civilním sektoru, kde se podobná myšlenka uplatňuje např. v monitoringu rozlehlých lesních porostů pro včasnou detekci požáru nebo v zemědělství proti výskytu škůdců či lokálně nepříznivých klimatických podmínek.

Kromě environmentálních aplikací se v dnešní době technologie WSN používají i ve spojení s akčními členy pro sledování a ovládání pomalu se měnících veličin v automatizaci budov, výrobních procesech, dopravě, ale i třeba v biomedicínských aplikacích.

Technologie WSN   

Bezdrátovou senzorovou síť tvoří uzly, takzvané nody (z angl. node). Tento uzel se obecně skládá ze senzorové části, výpočetní části, napájení a rádiového modulu (viz obr. 2).

Základní myšlenkou WSN je maximální úspora energie a vysoká flexibilita, tomu je podřízen celý systém, tedy jak výpočetní výkon uzlu a programové prostředky, tak přenosové protokoly. Uzel využívá různých hladin „spánku", kdy výkon procesoru, pamětí a periferií je řízen dle aktuální potřeby (snímání veličin, zpracování dat, komunikace, nečinnost atd.). Rozlehlost takové sítě může být od několika uzlů až po teoreticky neomezené množství. Síť lze v základním uspořádání provozovat v obecně známé hvězdicové topologii, ale největším přínosem systémů WSN je tvoření sítí typu multi-hop, ad-hoc a mesh - viz obr. 3.

Význam těchto pojmů znamená, že síť nemá pevnou infrastrukturu, která by předepisovala, které dva uzly budou spojeny (každý uzel má stejnou prioritu, na rozdíl od modelu master-slave). V případě přidání nového uzlu dojde k navázání spojení s jakýmkoliv okolním uzlem, a tím se dynamicky změní topologie sítě.

Využití WSN pro sledování stavu strojů

Zmíněné vlastnosti neumožňují, aby byla technologie WSN použita pro měření rychlých dějů v reálném čase, tato skutečnost však pro řadu aplikací není významná. To platí i v případě nasazení WSN v průmyslu pro sledování stavu strojů, kdy navrhovaný bezdrátový systém (obr. 4) počítá s následující strukturou: uzly budou rozmístěny na příslušná měřicí místa stroje s potřebnou redundancí; elektronika měřicího uzlu bude součástí pláště senzoru (velikost uzlu cca 20 x 20 x 30 mm); systém bude distribuovaný, čili výpočetní výkon bude rozdělen mezi jednotlivé uzly; do centrálního uzlu již dojde výsledná informace o stavu stroje; napájení bude realizováno indukční smyčkou, fotovoltaickým článkem, el. mechanickou vazbou (MEMS převodník vibrací na el. energii), termoelektrickým jevem, případně z baterií s životností alespoň několik let; snadná montáž na nová i již provozovaná zařízení; snadná manipulace, kterou bude moci provádět zaškolená obsluha stroje.

Aby bylo možné takový systém vytvořit, hledají se nová řešení v různých oblastech technického vývoje spojených s WSN. Mezi tyto oblasti patří tvorba komunikačních standardů, koexistence jednotlivých bezdrátových technologií, rušení a EMC, bezpečnost, řízení energetické spotřeby, napájecí zdroje, miniaturizace, distribuce vhodných metod zpracování signálů mezi uzly a centrální bod sítě, výběr vhodných algoritmů pro výpočetně jednoduchá zřízení - uzly sítě, fúze dat ve skupině senzorů (uzlů), klasifikace vad mechanického systému.  Do oblasti výzkumu v rámci technické diagnostiky spadá problematika týkající se zpracování signálů, kterými se zabývá naše laboratoř.

Současný výzkum v oblasti WSN z pohledu technické diagnostiky

Vlastnosti WSN, jako je rozlehlost sítě, nízká energetická spotřeba a omezená výpočetní i přenosová kapacita, vyžadují vhodné metody zpracování signálů, které by dokázaly v reálném čase detekovat nestandardní chování mechanismu, a přitom by bylo možné je implementovat do výpočetně jednoduchých zařízení. Výchozí metody, kterými se zabýváme, jsou detekce změn v signálu (prováděna lokálně v uzlu), komprimace spektrální informace, fúze dat, sestavení klasifikátorů hodnotících stav stroje podle příznaků spočítaných z naměřených signálů.

Pro testování zmíněných metod a algoritmů byl vytvořen model sítě v prostředí Matlab. Po úspěšných simulacích a odladění vybraných metod dochází k jejich implementaci do reálné bezdrátové sítě. K tomuto účelu jsou k dispozici vývojové kity od firmy Crossbow. Jedná se o sady Iris a Imote2. Výsledkem práce by měl být funkční bezdrátový CBM systém primárně určený pro diagnostiku rotačních strojů, ale jeho univerzálnost by měla pokrýt i jiné aplikace nejen z prostředí technické diagnostiky. 

Tento projekt byl podpořen výzkumným záměrem MSM6840770015 Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, grantem GAČR 102/09/H082 a grantem SGS10/207/OHK3/2T/13.

Laboratoř NDT na ČVUT v Praze

V laboratoři NDT se kromě zmíněného výzkumu v oblasti WSN zabýváme diagnostikou pomocí ultrazvuku, vířivých proudů, akustické emise a dalších metod. Dále zpracováním diagnostických signálů pomocí pokročilých metod spektrální a kepstrální analýzy, Hilbertovy a vlnkové (wavelet) transformace a řádové analýzy. Naše laboratoř úzce spolupracuje s průmyslem (např. Škoda Auto, a. s., Snecma France). Naše přístrojové vybavení zahrnuje jak ucelené laboratorní měřicí vybavení (Agilent, Tektronix), tak specializované přístroje jako ultrazvukové systémy Krautkrämer a Starmans, termografický systém, vířivoproudý systém Nortec, vibrodiagnostické vybavení firem Brüel&Kjaer a National Instruments.

Ing. Ondřej Kreibich

Ing. Jan Neužil

kreibond@fel.cvut.cz

ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická

//wireless.feld.cvut.cz/diagnolab