CIRCUIT DESIGN INC.
| Sviluppo di una Rete di Sensori in una Fabbrica |
| aBy
Tomihiko Uchikawa |
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| Introduzione |
In quest’articolo spiegheremo come a seguito di un rilevante incidente in una fabbrica si sentirà l’esigenza di collocare a protezione dei sensori di temperatura. Negli ultimi anni inoltre, è sempre più sentita la necessità di installare sensoristica di ogni genere. Guardando alle nostre attività quotidiane, scopriamo l’utilità di concentrare e controllare in postazioni remote qualsiasi tipo di informazione da parte delle apparecchiature installate. Stabilendo la gestione totale basata sui dati di sensori posti in una fabbrica è evidente che non è importante solo l’aspetto legato alla perdita dei beni a causa di incidenti e simili ma è soprattutto un fattore di protezione per la vita umana e per l’ambiente complessivo. In più, controllare una linea di produzione per mezzo di sensori può contribuire a ridurre notevolmente il costo dei prodotti. Inoltre quando si installano i nuovi sensori, sviluppati con sistema convenzionale, cioè a filo, c’è da considerare l’alto costo e il tempo di installazione, oltre al fatto che spesso questi sistemi non permettono aggiunta di sensori e/o cambiamenti all’architettura generale dell’impianto. Alla fine, nell’impossibilità di recuperare i costi da sostenere per questo progetto, l’idea è abbandonata. In questa situazione, una rete di sensori senza fili è la soluzione ideale. |
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| Monitoraggio
ambientale e di linee in una fabbrica |
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Il monitoraggio ambientale all’interno di una fabbrica non è importante soltanto per le persone che lavorano all’interno, ma è fondamentale soprattutto dal punto di vista protettivo dell'ambiente complessivo. Il monitoraggio ambientale all’interno di una fabbrica è il processo di concentrare le informazioni dai sensori installati nelle varie zone e quindi l’analisi dei dati eseguendo la gestione totale basata sui risultati. Pur se gli elementi utilizzati per il monitoraggio ambientale sono semplici, il rumore ambientale generale, il rumore a bassa frequenza, le acque di rifiuto, il gas di combustione, il calore dello scarico, il rumore elettromagnetico e così via, sono collegati a fattori importanti, quali i materiali tossici, le onde elettromagnetiche, odori offensivi, rumore, calore, e non devono essere mai liberati fuori dei locali. I costruttori di sensori stanno concentrando tutti i loro sforzi nello sviluppo di sensori sempre più ad alta precisione per rispondere il più possibile a quest’obiettivo. |
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Il controllo di queste cose è non soltanto un aspetto di protezione per la salute e per la proprietà dei residenti locali ma è un obbligo nei confronti del personale dipendente. L'atteggiamento dell'azienda verso la riduzione dei residui d’anidride carbonica e dell'azoto dei combustibili fossili è una preoccupazione notevole dal punto di vista della protezione ambientale complessiva. Fino ad ora, questo non era considerato un aspetto molto importante, ma ciò che sempre più il pubblico richiede alle società, sta cambiando notevolmente. Lo scopo di controllare le linee di produzione è quello di ridurre le perdite d’energia e se le società e le persone non tengono conto delle risorse terrestri, queste andranno esaurendosi. Il monitoraggio delle linee di produzione conduce fortunatamente alla riduzione dei costi del prodotto e non c’è alcun buon motivo per ignorare questo aspetto. |
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| Networking
senza fili |
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| Alcune delle precedenti utilità all’interno di una fabbrica era il controllo di dati quali: temperatura e d’umidità, pressione, flusso di dati e così via. I rivelatori erano forniti di un’interfaccia RS232C o RS485 ed i segnali erano trasmessi via cavo alla sala di controllo. Ma in caso di riparazioni o d’installazione di una nuova apparecchiatura il vecchio sistema viene di solito considerato obsoleto e diviene quindi necessario considerare un nuovo metodo per la raccolta dati. Ogni anno cresce sempre più la necessità di concentrare le informazioni dalle apparecchiature distribuite in un’ampia zona dei locali, oltre a quelle d’installazioni provvisorie e di macchinari mobili. Tentare di raccogliere tutti questi dati con un sistema basato su installazione convenzionale a filo implica tutti i problemi di cui abbiamo appena parlato. Per questi motivi, i sistemi che utilizzano la trasmissione radio stanno sempre più sviluppandosi. Ci sono parecchi vantaggi a sviluppare una rete di sensori senza fili, tuttavia forse il più importante di questi è la flessibilità nella collocazione degli apparati del sistema. In futuro se sarà necessario modificare le posizioni dei sensori o la posizione dei PC di controllo dati, questo potrà essere attuato rapidamente, facilmente ed a basso costo. In effetti, ci sono molte applicazioni che possono essere realizzate soltanto adottando la tecnologia radio. | |||||
Lo schema che segue mostra un sistema di monitoraggio di linee di controllo e ambientale all’interno di una fabbrica utilizzando i modem MU-1 della Circuit Design. I sistemi di LAN di Ethernet sono già attualmente utilizzati in molte fabbriche e com’è mostrato nello schema, i sensori installati alla LAN di MU-1 sono controllati e analizzati a distanza dalla sala di controllo dati. In più, è possibile collegare un modem MU1-RS232 o un modem MU1-USB al PC nella sala di controllo dati e ricevere direttamente i dati da ogni singolo sensore. Poiché la trasmissione dati ed il controllo di MU-1 è effettuata interamente per mezzo di comandi, le installazioni possono essere sviluppate facilmente pur senza particolare conoscenza del controllo radio.
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| Schema di applicazione Radio Modems per la
raccolta dei dati dai sensori |
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| In quest’ultimo periodo stiamo vedendo l'emersione sul mercato di una varietà di modem e di moduli radio per il rilevamento di dati. I chips wireless standard sono prossimi alla fase di messa a punto, ma in che modo saranno recepiti è tuttora sconosciuto. | |||||
| Le frequenze radio che possono essere utilizzate per il rilevamento in Europa sono, le bande a 434 MHz, a 869 MHz e a 2.4 GHz. I modem radio nella banda 434 MHz possono effettuare comunicazioni a lunga distanza, rendendo possibile un collegamento persino dove ci sono ostacoli occasionali. Sono molti i prodotti disponibili che usano questa banda di frequenza e con un buon design, possono essere usati per sviluppare sistemi soddisfacenti per utilizzatore. MU-1 della Circuit Design usa la banda a 434 MHz e rende possibile una portata di comunicazione di 600 m. (linea d’aria), con un bit rate di 9.600 bps e un assorbimento di 46 mA (in trasmissione) usando un sistema di controllo di comandi. L’uso della banda stretta FM con uno span di 25Khz e un filtro SAW con filtri di precisione, l’ottima resistenza alle interferenze radio sono alcune fra le relative proprietà. | |||||
| La frequenza a 2.4 GHz è usata per la banda larga, LANs senza fili multifunzionale con comunicazione ad alta velocità. Tuttavia è anche usata per i modem SS multicanali relativamente a banda stretta (comunicazione a spettro diffuso) che sono impiegati per le comunicazioni a bassa velocità. Con un elevato numero di frequenze, il range di comunicazione diviene più corto e la comunicazione è più incline a subire gli effetti degli ostacoli. Ciò nonostante, scegliendo una frequenza con buona qualità di comunicazione fra le frequenze utilizzabili con un modem radio nella banda a 2.4 GHz, è possibile sviluppare un sistema stabile. In più, dal punto di vista delle frequenze, offre il merito d’essere impiegabile quasi ovunque, compreso il Giappone, Europa e l'America. | |||||
| I sensori sono spesso posizionati all’esterno delle porte d’accesso e ciò produce sovente problemi al gruppo d’alimentazione e all'ambiente. Quindi i modem radio per essere connessi al sensore devono essere piccoli e a basso consumo, chiari e resistenti alle variazioni ambientali (temperatura, umidità, vibrazione e così via). Le informazioni su come risolvere i problemi d’alimentazione con cellule o con pannelli solari abbondano sul Web, quelli prospettati sono sviluppi eccellenti e anche se non sono immediatamente disponibili, suggeriscono possibilità interessanti. Nell’utilizzare i modem radio per le applicazioni industriali, è necessario stabilire le specifiche dopo attenta indagine sulla sicurezza del sistema | |||||
Per esempio, poiché gli errori nelle comunicazioni radio accadono sempre, questi devono essere gestiti, perché se altri dispositivi stanno emettendo le onde radio nelle vicinanze, ci saranno inevitabilmente interferenze radio. Con sistemi importanti, nemmeno il funzionamento parallelo può essere sufficiente dal punto di vista della sicurezza. È necessario assicurarsi che il sistema funzioni in modo sicuro in tutte le condizioni. La sicurezza è un requisito basilare che deve essere considerato primariamente. Dato che chiunque è libero di ricevere e trasmettere le onde radio nelle frequenze consentite, i sistemi devono essere progettati per sopportare queste esposizioni |
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| Il
Futuro della raccolta dati dei sensori |
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| Come ho esposto prima, uno dei vantaggi di sviluppare una rete di sensori senza fili è la flessibilità nell’aggiunta di sensori e nel modificare la disposizione del sistema. I metodi delle reti di sensori stanno evolvendosi continuamente e di recente sono in studio nuove idee fra le quali la fusione delle reti di sensori e delle reti ad-hoc. Per esempio, in una nuova rete, se uno fra vari sensori posizionati in un’ampia zona non funziona correttamente (errore di comunicazione, batteria scarica, guasto e così via), la rete con un protocollo per l'identificazione passa automaticamente ad un altro itinerario indirizzando i dati al nodo di controllo. Ciò permette agli utilizzatori che non hanno molta familiarità con l’elettronica o con le reti, ma che hanno necessità di utilizzare sensori supplementari, di inserirli facilmente alla rete. In futuro in questo genere d’applicazioni, ci saranno diversi tipi di sensori in grado di fornire diverse informazioni e questo farà aumentare notevolmente il numero dei dati da raccogliere. Di conseguenza saranno sempre più richiesti i modem dotati di protocolli che possono coordinare fra i nodi. In applicazioni di data sensing i modem radio rendono possibile un basso consumo d’energia con una capacità limitata di dati. Sono inoltre lenti e non permettono margini. Nell'immediato futuro, i modem che traducono in pratica entrambi i requisiti saranno quasi certamente disponibili per rispondere ai requisiti di nuove reti. | |||||
| Conclusioni |
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| Le richieste degli utilizzatori che cercano di ottenere le condizioni ambientali più favorevoli sono continue, e i costruttori che progettano le parti radio sono impegnati a soddisfare queste domande. Da molti anni, Circuit Design fornisce al mercato modem radio embedded e moduli radio per tutti gli impieghi industriali. I prodotti radio della Circuit Design, che sono realizzati con componenti di base altamente affidabili, si rivolgono ad un mercato industriale e sono più che capaci di far fronte alle richieste nel campo dell’acquisizione dati nel quale è richiesto un funzionamento sicuro e di lunga durata | |||||
| Anche se avete l'impressione che qualcuno sia in grado di sviluppare facilmente una rete sensing senza fili per applicazioni industriali, dovete sempre tener presente che prima di tutto il sistema deve risolvere i problemi di cui abbiamo parlato. Se state considerando di sviluppare un sistema di rilevamento con i modem radio, assicuratevi che la vostra applicazione sia solida ed affidabile per essere sicuri dei benefici di un’applicazione senza fili in tutte le vostre comunicazioni. | |||||
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